JPH09501543A - 半導体デバイスの平面化エッチバックマージン、信頼度、及び安定度を向上させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 普通の技法で製造されたデバイス及びその金属トレース（２００）の上にシリコン増強酸化物の層を堆積させる（２１０）ことによって、ボイドを生じさせることなくサブミクロン半導体デバイスを平面化する。次いで、ＴＥＯＳ基酸化物（２２０）及びＳＯＧ（２３０）を、シリコン増強酸化物の層（２１０）の上に堆積させる。シリコン増強酸化物は、屈折率は少なくとも 1.50 であり、懸垂結合密度は約 10¹⁷ / ｃｍ³ であり、そして約 1000 乃至 2000 オングストロームの厚みである。これは酸素原子が比較的不足しているのでエッチングプロセスによって露出されても僅かな酸素原子しか解放せず、ＳＯＧエッチング速度を大きく加速することがない。シリコン増強酸化物のエッチング速度は化学量論的なＴＥＯＳ基酸化物のそれの約 75 ％にしか過ぎず、それ故エッチングが金属トレースに接近した時にエッチバックプロセスを遅くし、それによって金属トレースを露出させないように保護するバッファとして働く。シリコン増強酸化物は、その下のデバイスに影響を与え得る電荷を中和するシールド状機能を遂行することによって、その下のデバイスの安定度及び信頼度を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体デバイスの平面化エッチバックマージン、信頼度、 及び安定度を向上させる方法発明の分野 本発明は半導体デバイスの平面化に関し、より詳しくはボイドを生じさせるこ となくサブミクロン半導体デバイスを平面化し、しかもデバイスの信頼度及び安 定度を向上させる方法に関する。発明の背景 隣接する金属トレース間の水平距離が、例えば＜１μｍ即ち 10,000 Åである ようなサブミクロンデバイスを製造する場合には、集積回路（“ＩＣ”）の平面 化を十分に遂行することは極めて挑戦的な作業である。公知の技術では、ＩＣは 層毎に種々の堆積を形成させることによってサブストレート上に製造される。例 えば、金属酸化物半導体（“ＭＯＳ”）デバイスを含むＩＣは酸化物の薄い層を 有しており、この層の上にポリシリコンゲートが堆積されて画定され、その後に そのゲートの下に位置するチャネル領域を接続るソース及びドレイン領域が注入 される。 次に、このポリシリコンレベルの上に（従って、その下のＭＯＳ及び他のデバ イスの上に）レベル間誘電体（“ＩＬＤ”）が形成される。次いでＩＬＤの上に 金属トレースの第１のレベルが堆積されて画定される。この金属トレースの第１ のレベルの上に金属間（inter-metal）酸化物（“ＩＭＯ”）の層を形成させ、 ＩＭＯの上に金属トレースの第２のレベルを堆積させて、バイア（vias）を通し てその下に位置するレベル１の金属トレースと電気的に通じるようにすることが できる。 図１Ａは以上に説明したことを示す概要図であり、能動デバイス（全体を１０ で示す）はサブストレート２０上に形成され、ＩＬＤ層３０によって覆われてい る。デバイス１０の本質は本発明にとって重要ではなく、ＭＯＳ、バイポーラ、 バイポーラ・コンプリメンタリＭＯＳ（“ＢｉＣＭＯＳ”）デバイスその他を含 むことを理解されたい。 図１Ａには幾つかのレベル１の金属トレースＭ１Ａ、Ｍ１Ｂ、Ｍ１Ｃが示され ている。これらのトレースは、それらの上のレベル２の金属トレースＭ２Ａ、Ｍ ２Ｂとは絶縁用ＩＭＯ層４０によって絶縁されている。バイア５０は、レベル１ の金属トレースＭ１Ａとレベル２の金属トレースＭ２Ａとを電気的に結合してい る。 金属１トレースの垂直高さがトポグラフィを平らでなくすので、金属２トレー スを適切に堆積できるようにするためには平らにする、もしくはならさなければ ならない。従って、ＩＭＯ層４０は金属１層と金属２層との間の電気絶縁を与え る他に、平面化機能をも与えることが好ましい。 図２Ａは、ＩＭＯ層４０の形成のさらなる詳細を示している。予備的な（prel iminary）ＩＭＯは、典型的には、少なくとも２つの分離した層、即ち層６０及 び７０を備えており、平面化された後のＩＭＯは付加的なキャップ層８０（図２ Ｂ参照）をも備える。層６０は、典型的にはテトラ・エチル・オルソ・シリケー ト（“ＴＥＯＳ”）をベースとする酸化物（以下、ＴＥＯＳ基酸化物という）で あり、プラズマ強化化学蒸着（“ＰＥＣＶＤ”）によって形成される。代替とし て、層６０は反応種としてオゾン（Ｏ₃）を使用する熱的ＣＶＤによって形成さ せることもできる。次に、液体形状の好ましくはスピン・オン硝子（“ＳＯＧ” ）の厚い層７０を構造上でスピンさせてトポグラフィを平らにする。後述するよ うにＳＯＧをエッチバックした後に、平面化された表面の上に普通のキャップ酸 化物層８０を形成させる。 図２Ａ（並びに図２Ｂ、３Ａ、３Ｂ）では、図を簡略化するために層３０の上 面は実質的に水平の面として示してある。実際には、その下のトポグラフィが原 因で、層３０の上面は波打っていることが多い。その結果、金属１トレースの若 干の最上表面は互いに高さが異なり得る。換言すれば、例えば、Ｍ１Ｃの最上表 面が、実際にはＭ１Ａの最上表面よりも高いレベルにあり得るのである。 ＣＶＤプロセスの性質上、ＴＥＯＳ基酸化物層６０の厚みは金属１トレースの 上面の高さに依存はしない。しかしながら、金属トレースの上のＳＯＧの量はＴ ＥＯＳ基酸化物層の高さに依存する。液体ＳＯＧのスピンオン特性は、ＳＯＧ７ ０の厚みがその下のＴＥＯＳ基酸化物層の高さに依存するような特性である。例 えば、もしＭ１Ｃの上面がＭ１Ａの上面よりも高ければ、ＳＯＧの液体の性質上 Ｍ１Ｃの上よりもＭ１Ａの上により多くのＳＯＧが存在するようになる。 バイア５０の信頼度を改善し、その下のデバイス１０の特性を改善するために ＳＯＧ ７０は例えば破線Ｄで示す深さまでエッチバックされる。理想的にはレ ベルＤは、金属１トレースの上にはＳＯＧが残らず、且つ金属１トレースがこの エッチングプロセスによって露出しないような深さに位置する。しかしながら、 もしエッチングで取り除くＳＯＧが少な過ぎて深さがＤ”（図２Ａ参照）のよう であると、若干のＳＯＧが金属１トレースＭ１Ａ、Ｍ１Ｂ、Ｍ１Ｃ上に残留し、 後述するようにバイア５０の信頼度を低下させ得る。同様にもしエッチングで取 り除くＳＯＧが多過ぎて深さがＤ’のようであると、金属１トレースが露出して 平面化を劣化させ、デバイス１０の性能及び歩留りに影響を与え得る。 上述したように層３０の上面には波打ちが存在し得るが、これは金属１トレー スの上面の高さに変化をもたらし、これらのトレースの下のＳＯＧの厚みに変化 を与えるようになる。金属１の高さ及びＳＯＧの厚みのこれらの変化は、エッチ バックによって金属１トレースの上にはＳＯＧを残さず、しかもどの金属１トレ ースの上面を露出させないという両方の目的を達成するのに、より厳格な要求を 賦課するようになる。明らかに、Ｄ’のレベルは金属１トレースの最高の高さよ りも上でなければならない。 従来技術では、全てのプロセスシナリオの下でエッチバックの深さを、Ｄ’で はなく、Ｄにすることは簡単な作業ではなかった。概述すれば、例えばＤ’シナ リオ（図２Ａ参照）の場合、エッチング中に金属１トレースが露出しないように 保護するには層６０（ＴＥＯＳもしくは等価物）の厚みは厚い方が望ましい。し かしながら、図１Ｃに示すように、もし層６０が厚過ぎると平面化及びデバイス １０の性能を劣化させ得るボイドが発生する恐れがある。平面化を良好にするに はＳＯＧ層７０を厚くし、そして好ましくは堆積させた分のＳＯＧをエッチング によって取り除く。ＴＥＯＳ基酸化物層がエッチングプロセスによって露出する と、その中の酸素原子が解放されてＳＯＧエッチングの速度を約 100％まで加速 するから、エッチングの深さＤを制御することは複雑である。従って、ＳＯＧと ＴＥＯＳ基酸化物との間のエッチング速度の差を補償し、金属１トレースの上の ＳＯＧの厚みの変化を補償するために、実際にはＳＯＧ層の厚みはＴＥＯＳ基酸 化物層の厚みの約半分にすべきである。これらの種々の要件に関して以下に詳述 する。 層６０材料が、例えばＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのような金属トレースを均一に被膜する 能力を一般にステップカバレージと呼ぶ。理想的には、層６０（ＴＥＯＳ基酸化 物または等価物）は金属１トレースのプロファイルに完全に従って水平次元にお いても、また垂直次元においてもステップカバレージを与えるべきである。しか しながら、実際にはＴＥＯＳ基酸化物は比較的等角な（conformal）材料であり 、凹んだ（re-entrant）プロファイルを発生させないので側壁カバレージは水平 カバレージの約 55 ％にしか過ぎない。換言すれば、もしＴＥＯＳ基酸化物を金 属１トレースの上に 100単位厚の層として堆積させれば、金属１トレースの垂直 壁に沿う側壁カバレージは 55 単位になる。 図１Ｂにおいて、隣接する金属１トレース間の最も近いピッチ距離Ｌx が小さ くなるにつれて、厚みＴ1 の層６０が金属１のプロファイルを水平に、及び垂直 に等角に被膜する能力が益々重要になってくる。これは特に、Ｌx が＜１μｍ即 ち 10,000 Åである構造（“サブミクロン”構造）、そして更にＬx が＜0.5 μ ｍ即ち 5,000Åである構造（“ディープサブミクロン”構造）の場合に然りであ る。図１Ｂに示すステップカバレージは受容され、いわゆる凹みのないプロファ イルが提供されている。これは隣接する金属トレース間の層６０内にボイドもし くはギャップが形成されていないことを意味する。 これに対して図１Ｃは、層６０のステップカバレージが不十分で、凹みのある プロファイルが形成された状況を示している。このようなプロファイルは、Ｌx が小さ過ぎるか、もしくは層６０の厚みＴ2 がＬx に対して大き過ぎる場合に発 生し得る。隣接する金属トレースＭ１ＡとＭ１Ｂとの間の狭い“谷”を層６０の 材料が埋めるにつれて狭いギャップ９０が形成され得るので、凹みのあるプロフ ァイルは許容できない。もしギャップ９０が狭過ぎると、その後に堆積されるＳ ＯＧ層７０によってギャップ９０は満たされないので、その結果生ずるボイドが 平面化及びデバイス１０の性能に有害に影響するようになる。この理由からＳｉ Ｈ₄ 基フィルムの化学蒸着をサブミクロン構造に使用することができないのであ る。 図２Ｂは、図２Ａの構造のＳＯＧ層７０をＤによって限定されるレベルまでエ ッチバックした理想的な場合を示す。次いでレベルＤによって限定された平面化 された表面上に、ＴＥＯＳ基酸化物もしくはＳｉＨ₄ 基酸化物であってよい普通 のキャップ酸化物層８０を形成させる。次にバイア５０及び金属層２トレースを 形成することができる。キャップ酸化物層８０は、金属２トレースが有害にＳＯ Ｇ ７０と直接接触するのを阻止していることは明白である。従って平面化が完 了した後の、且つ金属２トレースもしくはバイア５０を形成させる前のＩＭＯ ４０は、典型的には３つの層、即ち層６０、７０及び８０からなっている。 図２Ｂにおいて、レベルＤまでエッチバックした後に、隣接する金属１トレー ス間にボイドを埋めたＳＯＧ ７０のポケットは残っているが、ＳＯＧが金属１ トレース上に残されていないことに注目されたい。金属１トレースの上のＳＯＧ は、デバイスの信頼度を低下させ、ホットキャリヤデバイス特性を劣化させる恐 れのある正電荷を形成させ得る。更に、バイア５０が金属１トレースとその上に ある金属２トレースとを結合する場所（例えば図１Ａのバイア５０を参照された い）において、バイア金属の堆積中に金属１トレースの上に介在するＳＯＧが脱 ガスしてバイアの信頼度を低下させ得る。 不幸にも、ＳＯＧ層７０もしくはＴＥＯＳ基酸化物層６０の厚み、及びエッチ バックプロセスが変化変化すると、精密にＤレベルに到達する箇所を不確定にす る。例えば平らなウェーハ領域上ではＳＯＧ層７０の厚みは多分±５％変化し、 平らではない領域上では殆ど０Åから金属トレース上のＳＯＧの公称厚みまで変 化する可能性があり、ＴＥＯＳ基酸化物層の厚みは多分±３％変化する可能性が ある。日毎のウエーハの変化は、エッチバックプロセスに別の± 10 ％の不確実 性を与え得る。更に、ＳＯＧエッチング速度は、特にウエーハの温度及びエッチ ング室の清潔さに感じ易い。 実際にはＤレベルの位置を所望の範囲に（例えば、金属１トレースが露出され ないように、もしくはＳＯＧ ７０が金属１トレースの上に残留しないように） 維持するためには、エッチングの均一性を±５％の１シグマ以内に制御する必要 がある。ＳＯＧ層の深さの変化と組合ってエッチバックプロセスが±５％もしく はそれ以上に変化することは、ＳＯＧの除去が少な過ぎるようになるか、ＳＯＧ 及びＴＥＯＳ基酸化物の除去が多過ぎるようになることを意味している。換言す れば、エッチバックに伴う誤差のマージンが、ＳＯＧの除去を過少にしたり、も しくはＳＯＧ及びＴＥＯＳ基酸化物の除去を過多にしてはならない。 図２Ａにおいて、ＳＯＧの除去が少な過ぎるとエッチバック表面はレベルＤで はなくレベルＤ”に位置し、ＳＯＧが金属１トレース上に望ましくなく残留する 状態になる。一方、ＳＯＧ及びＴＥＯＳ基酸化物の除去が多過ぎるとエッチバッ ク表面はレベルＤではなくレベルＤ’に到達し、金属１トレースが望ましくなく 露出する状態になる。金属１トレースが露出すると、平面化が低下し、デバイス １０の性能及び歩留りが低下する。 このように、Ｄ”及びＤ’はエッチバックプロセスに伴う誤差許容差の受容可 能なマージンを超える境界を画している。もしＤ’が金属１トレースを露出させ ないように僅かに浅いか、またはもしＤ”が金属１トレース上の全てのＳＯＧを 除去するように僅かに深ければ、エッチバックプロセスは受容可能な誤差のマー ジン以内で作動する。 ＳＯＧエッチング速度が一定ではないために、エッチバックをＤレベルで確実 に停止させるようにすることは複雑である。図２Ａにおいて、ＳＯＧエッチング は典型的にはレベルＤ”を通して一定の速度で進行する。それは、１つの型の材 料、即ちＳＯＧ ７０だけがエッチングされているからである。しかしながら、 エッチングがＴＥＯＳ基酸化物層６０の下を露出させ始めると直ちに、ＳＯＧエ ッチングの速度は実質的に増加する。ＳＯＧエッチング速度のこの加速は、露出 されたことによりＴＥＯＳ基酸化物層から解放された酸素原子が存在することに よってもたらされるのである。 良好な平面化を維持するためには、この加速するエッチング現象を補償する必 要がある。従来から、ＴＥＯＳ基酸化物層６０のエッチング速度をＳＯＧのエッ チング速度の約２倍にすることによってこれらのエッチング効果を補償できるこ とが知られている。実際にはＳＯＧの典型的なエッチバック速度（解放された酸 素原子が存在しない場合の）を 50 Å／秒とし、ＴＥＯＳ基酸化物のエッチバッ ク速度を約 100Å／秒としていた。しかしながら、エッチングにより露出された ＴＥＯＳ基酸化物が酸素原子を解放するのでＳＯＧのエッチバック速度は約 100 Å／秒に増加し、その結果ＳＯＧ及びＴＥＯＳ基酸化物材料の両者はほぼ同一の 速度でエッチングされるようになる。 このエッチバック速度の差は、例えば 3,000Å厚のＳＯＧの層を除去するため には、ＴＥＯＳ基酸化物層６０は少なくとも 6,000Å厚にすべきであることをも 暗示している。明らかに、ＴＥＯＳ基酸化物層の厚みを増すことによって金属１ トレースが露出されないようにすることができ、従ってエッチバックプロセスの 誤差のマージンが増加する。しかし不幸にも、ＴＥＯＳ基酸化物層６０が厚過ぎ ると、図１Ｃに示唆されているようにサブミクロンデバイス内にボイド９０を発 生させる恐れがある。 従って、実際には、金属１トレースの垂直厚みが 0.7μｍ（ 7,000Å）程度で あり、Ｌx が約 0.5μｍ（ 5,000Å）である場合には、ＴＥＯＳ基酸化物層６０ を約 5,000Å乃至約 7,000Åより厚くすることはできない。ＴＥＯＳ基酸化物層 の厚みが 5,000Å乃至 7,000Å厚であるということは、ＳＯＧ層を約 2,500Å乃 至約 3,000Å、即ち例えばＴＥＯＳ基酸化物の厚みの約半分にすべきであること を意味している。実際には、金属トレースが水平方向に約１μｍ離間している場 合には、良好な平面化を達成するためにスピンオンさせることができるＳＯＧの ほぼ最も厚い層は 3,000Åである。 しかしながら、上述したように、エッチングプロセスの不確実性のために、多 分 15 ％× 3,000Å、即ち±900 Å （３シグマ）だけ過少の、もしくは過大の ＳＯＧが除去されることは容易に理解されるところである。従来技術では、エッ チバックプロセスに伴う誤差のマージンを注意深く制御することが試みられてき たが、それでも最終的な結果としてのプロセスの制御範囲は極めて狭いものであ った。 要望されるのは、サブミクロンデバイスのエッチバック平面化においてより一 層有用な誤差のマージンを得る方法である。このような方法は、エッチングプロ セスが金属１トレースに接近するにつれてプラズマ酸化物エッチング速度を禁止 するバッファ機構を提供すべきである。このような方法は、現存する製造プロセ スと両立可能であるべきであり、且つ歩留り及びデバイス信頼度を改善すべきで ある。 本発明はこのような方法を開示する。本発明の概要 本発明は、ボイドを発生させることなくサブミクロン及びディープサブミクロ ン半導体デバイスを平面化する方法を提供する。デバイス及び金属１トレースを 普通に形成させた後に、多分 1,000Å乃至 2,000Å厚のシリコン増強（silicon- enricched）酸化物の層を構造の上に堆積させる。このシリコン増強酸化物は、 少なくとも約 1.50 の屈折率と、約 10¹⁷/ｃｍ³ の懸垂（dangling）結合密度と を有し、典型的には約 1,000Å乃至 2,000Åの厚みである。次いで普通のＴＥＯ Ｓ基酸化物及びＳＯＧの層をシリコン増強酸化物の層の上に堆積させ、これで従 来技術のようにデバイスの製造が完了する。 シリコン増強酸化物は酸素原子が比較的不足しているので、エッチングプロセ スによって露出されても比較的僅かな酸素原子を解放するだけである。これらの 比較的僅かな解放された酸素原子は、ＳＯＧのエッチング速度を加速させること はない。更に、シリコン増強酸化物自体のエッチング速度は、例えばＴＥＯＳ基 酸化物のような化学量論的酸化物のエッチング速度の約 75 ％にしか過ぎない。 このように、シリコン増強酸化物はエッチングが金属１トレースのレベルに接近 した時にエッチバックプロセスを遅くして金属１トレースを露出させないように するバッファとして働く。シリコン増強酸化物＋ＴＥＯＳ基酸化物の所与の厚み に対して、本発明は、従来技術と対比してより大きい余地、即ちエッチバックの 誤差マージンを有利に与える。 シリコン増強酸化物はエッチングバッファとして働く他に、その下のデバイス の安定度及び信頼度を有利に向上させる。シリコン増強酸化物は、その下の半導 体デバイスに影響を与え得る電荷を中和することによってシールド状の機能をも 遂行する。更にシリコン増強酸化物はホットキャリヤの寿命をほぼ１桁程度伸ば すこともできる。 本発明の他の特色及び長所は、以下の添付図面に基づく好ましい実施例の詳細 な説明から明白になるであろう。図面の簡単な説明 図１Ａは、第１及び第２の金属化層を有する従来技術による半導体デバイスを 示す図である。 図１Ｂは、従来技術によるＴＥＯＳ基酸化物の凹みなしプロファイルステップ カバレージを示す図である。 図１Ｃは、従来技術によるＴＥＯＳ基酸化物もしくはシランをベースとする酸 化物（シラン基酸化物）のボイド凹みありステップカバレージを示す図である。 図２Ａは、半導体デバイスの金属１層の上に従来技術によりＴＥＯＳ基酸化物 及びＳＯＧの堆積を示す図である。 図２Ｂは、エッチバックの後の図２Ａの従来技術による半導体デバイスを示す 図である。 図３Ａは、半導体デバイスの金属１層の上に本発明によりシリコン増強酸化物 、ＴＥＯＳ基酸化物及びＳＯＧの堆積を示す図である。 図３Ｂは、エッチバックの後の、そして付加的な、任意選択的な層を組み入れ た後の本発明による図３Ａの半導体デバイスを示す図である。 図４は、本発明によるプロセスの諸段階を示す流れ図である。好ましい実施例の詳細な説明 本発明によれば、半導体デバイス１０は金属１トレースの形成までは普通の技 法でサブストレート２０上に形成される。しかし図３Ａに示すように、次にシリ コン増強酸化物の層１００がデバイス及び金属１トレースの上に堆積され、その 後にＴＥＯＳ基酸化物の層６０及びＳＯＧの層７０を堆積させる。シリコン増強 酸化物は、例えばＳｉＯ_x （但しｘ＜２）のように非化学量論的である。 シリコン増強酸化物層１００は、プラズマ堆積（例えば高周波電カプラズマ） を使用して 1,000Å乃至約 2,000Åまたはそれ以上の厚みに形成させることが好 ましい。層１００は比較的薄いから、有利なことに、層１００が例えばＭ１Ａ、 Ｍ１Ｂのような隣接する金属１ライン間の“谷”の殆どを埋めることはない。層 １００はＴＥＯＳ基酸化物層６０に対して本質的には透明であり、層１００が存 在していてもＴＥＯＳ基酸化物層６０は、ＴＥＯＳ基酸化物ステップカバレージ を劣化させることなく谷を埋めることが可能である。従って、サブミクロンもし くはディープサブミクロンデバイスを製造する場合でさえも、最終のプロファイ ルは凹みなしに保たれる。 層１００の堆積は、市販ＰＥＣＶＤ反応器を用いて約 400°Ｃ及び約２トルの 圧力で達成することが好ましい。シラン（ＳｉＨ₄ ）、亜酸化窒素（Ｎ₂ Ｏ）、 及び窒素（Ｎ₂ ）の反応材ガスを使用することが好ましく、ＰＥＣＶＤ酸化物の シリコンを増強するように堆積条件を変更する。導入される酸化体（オキシダン ト）と化学量論的に相互作用させるために必要とされるよりも多くのシリコン担 持反応材を使用するので、得られる堆積層１００はシリコン増強され、酸素が不 足する。 酸素が不足していて、エッチングがより遅いので、ＳＯＧ層７０及びＴＥＯＳ 基酸化物層６０のエッチバック中に、エッチングレベルが金属１トレースに接近 すると、シリコン増強層１００はエッチングバッファとして働く。詳述すれば、 もしエッチングプロセスが層１００をエッチングするようになっても解放される 酸素原子は比較的僅かであり、従来技術のようにＳＯＧエッチング速度が急速に 加速されることはない。更に、化学量論的酸化物であるＴＥＯＳ基酸化物のエッ チング速度が約 100Å/ 秒であるのに対して、シリコン増強酸化物のエッチング 速度は多分 75 Å/ 秒にしか過ぎない。有利なことには、層１００のエッチバッ クバッファ機能は、より大きいプロセス変動度を許容する。 層１００は、少なくとも約 1.5の屈折率（偏光解析計で測定）を有しているこ とが好ましく、シリコン原子上で使用可能な懸垂結合のスピン密度は少なくとも 約 10¹⁷/ｃｍ³ を超えることが好ましく、約 10¹⁹/ｃｍ³ であることが好ましい （電子常磁性スピン共鳴分光計で測定）。化学量論的シリコン酸化物の場合には 対応するデータは小さくなり、例えば屈折率は約 1.46 ± 0.02 であり、スピン 密度は約 10¹⁶/ｃｍ³ よりも小さい。 1.0 ミクロン厚フィルムに対して波数 2250 の近くにピークが位置する赤外ス ペクトルで測定して、化学量論的酸化物のＳｉ−Ｈ吸収度が約 0.001またはそれ 以下であるのに対して、出願者のシリコン増強酸化物１００は少なくとも約 0.0 10のＳｉ−Ｈ吸収度を有していることが好ましい。実際には、約 0.005もしくは それより高いＳｉ−Ｈは、シリコン増強層１００を有していない同様デバイスに 比して、デバイスホットキャリヤ寿命をほぼ１桁まで向上させる。 Ｓｉ−Ｈ含有率が増加するにつれて屈折率及び懸垂結合スピン密度が共に増加 する。ほぼ０％のＳｉ−Ｈ含有率を有する化学量論的ＳｉＯ₂ は、1.452 の屈折 率に対応する。懸垂結合スピン密度測定は、より高いＳｉ−Ｈ含有率を有するシ リコン増強酸化物のスピン密度が１桁高いことを指示している。化学量論的酸化 物のｇ値が約 2.001であるのに対して、シリコン増強酸化物のｇ値は約 2.005乃 至 2.006の範囲内にある。 2.005乃至 2.006の範囲は、第１の共鳴線は非晶質シ リコン環境内の懸垂結合が因であり、第２の共鳴線は非晶質シリコンとＳｉＯ₂ との界面における懸垂結合が因であるとする報告されたデバイスと良く相関して いる。少なくとも電荷中和に関する限り、内部不活動化（passivaion）は、合計 スピン密度よりも不足の型により多く依存することに注目されたい。 ＰＥＣＶＤシリコン増強酸化物１００は、屈折率、応力、及び湿式エッチング 速度に加えて、ＦＴＩＲ測定を使用することを特徴とすることができる。懸垂結 合密度を推定するのに、電子スピン密度測定と同様に、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ伸び帯域 位置、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ伸び帯域の半最大値における全幅、Ｓｉ−Ｈピーク位置、 及びＳｉ−Ｈピーク高さが有用な測定である。 デバイスの信頼度及び性能を改善する上でのシリコン増強酸化物の利点は、 1 992 年３月30日に出願された米国特許出願 07/860,370 号に開示されている。平 面化を改善する上でシリコン増強酸化物の使用に伴う若干の便益は 1992 年６月 ５日に出願された米国特許出願 07/893,616 号に開示されている。しかしながら この出願は、サブミクロン及びディープサブミクロン技術において当面する平面 化の問題点に関して言及してはいない。 図４の段階２００は、図１Ａに示すように、レベル間誘電体層３０の形成と、 例えばＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのような金属１トレースの形成を通してデバイス１０をサ ブストレート２０上に製造することを表している。処理段階２００において最高 に達する種々の製造段階は、従来技術において一般的である。勿論、実際には多 くのデバイス１０を含む集積回路ウェーハが形成されることを理解されたい。 しかしながら、本発明によれば処理段階２１０において、デバイス１０、ＩＬ Ｄ層３０及び金属１トレースを含むサブストレート２０上にシリコン増強酸化物 １００の堆積が行われる。層１００の好ましい特性に関しては既に述べた。シリ コン増強酸化物の代替として、大量の水素を有していないようにＳｉＮが最適化 されていれば、ＳｉＮをエッチバックバッファとして層１００に使用することが できる。ＳｉＮに伴う水素原子が金属と相互作用して望ましくないボイドを金属 トレース内に形成させる恐れがあるので、ＳｉＮを直接金属１トレースの上に堆 積させることは望ましくないことは当業者には明白であろう。 段階２２０においてＴＥＯＳ基酸化物層６０が普通の技法で、典型的には 4,0 00Å乃至多分 6,000Åの厚みに堆積される。勿論ＴＥＯＳ基酸化物は化学量論的 酸化物であり、多分 100Å/ 秒のプラズマエッチング速度を有している。段階２ ３０においては、ＳＯＧ ６０が普通の技法で、好ましくはＴＥＯＳ基酸化物（ もしくは等価物）層６０の厚みのほぼ半分の厚みに、即ち 2,000Å乃至多分 3,0 00Åにスピンオンされる。典型的にはＳＯＧ ６０のエッチング速度は、多分 5 0Å/ 秒である。 段階２４０において、普通のエッチング手順及び装置を使用してＳＯＧ及びＴ ＥＯＳ基酸化物層７０、６０の平面化エッチバックが行われる。図３Ａに示すよ うに、レベルＤ”に到達するまでにエッチングされるのはＳＯＧ ７０であり、 エッチングは多分 50 Å/ 秒のような合理的な一定速度で行われる。エッチング プロセスが続行されると、ＴＥＯＳ基酸化物層６０の領域がエッチングされ、そ の結果解放された酸素原子は前述したようにＳＯＧのエッチング速度を加速させ る。 もしエッチングがレベルＤを超えてレベルＤ”に向かって続行されると、シリ コン強化層１００が露出し始める。しかしながら、前述したように比較的僅かな 酸素原子が解放されるだけであるので、従来技術に見られるようなＳＯＧのエッ チング速度の急速な加速は回避される。更に、層１００自体のエッチング速度は ＴＥＯＳ基酸化物のエッチング速度より小さいので、レベルＤ’が金属１トレー スを露出させるように接近するとエッチバックプロセスは遅くなり始める。 如上のように層１００は、過大なエッチングによって金属１トレースＭ１Ａ、 Ｍ１Ｂ、Ｍ１Ｃが露出されるのを保護するエッチバックバッファとして働く。層 １００は、エッチングレベルが金属１トレースを露出させるように接近すると、 酸化物エッチングの速度を自動的に遅くする。換言すれば、層１００が存在する ことにより、同一合計ベース酸化物の厚み、例えば層１００＋ＴＥＯＳ基酸化物 層６０の厚みに対するエッチバックプロセスマージンが有利に増加する。 以上説明したように、余りにも安易に全てをエッチバック（例えば、図２Ａの レベルＤ’までエッチバック）することによって金属１トレースを露出させる可 能性がある従来技術とは対比的に、本発明による層１００が存在することによっ て、エッチバックプロセスがレベルＤ’に接近すると、加速するのではなく、遅 くすることによって上述した可能性を低下させるのである。 若干のデバイスは金属１トレースを露出させて製造されるであろうから、所与 のレベルにプロセス及びエッチングを制御する本発明はより高い歩留りをもたら す。勿論、従来技術を使用して達成されるような低い歩留りが許容される場合に は、本発明はプロセス及びエッチング許容度を増加させることが可能である。 更に図４を参照する。段階２５０においては、キャップ酸化物層８０が普通の 技法で堆積される。１もしくは複数の段階２６０においては、バイア、金属２ト レース、及びバックエンド処理を含むデバイス２０の製造が普通の技法で達成さ れる。 前述したように、有利なことには層１００が存在することにより酸化物の等価 的な厚みが増し、エッチバックマージン許容度を増進する。しかしながら、エッ チバックバッファ機能を提供する他に、層１００はデバイス１０の信頼度及び安 定度をも向上させる。 本発明は２レベルよりも多い金属トレースを有するデバイス１０にも有利に実 現することができることは明白である。これは図３Ｂに示されており、レベル２ のトレースＭ２Ａ、Ｍ２Ｂが形成されている上にシリコン増強酸化物の第２の層 １００’が堆積されている。次に、平面化されているＴＥＯＳ基酸化物層６０’ 及びＳＯＧ層７０’、及びその上のキャップ酸化物層８０’からなる金属間酸化 物層４０’を堆積させる。図を明瞭にするために、図３Ｂには層６０’、７０’ 、８０’は示してない。次いでバイア５０’及びレベル３トレース（例えばＭ３ Ａ）を形成し、その後にシリコン増強酸化物の第３の層１００”を堆積させる。 バックエンド処理を含む完了したデバイス１０は図３Ｂには示してない。 請求の範囲によって限定される本発明の範囲及び思想から逸脱することなく、 開示した実施例には種々の変更及び変化が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィーリング ミリンド ジー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95132 サン ホセ ノース キャピトル アベニュー 37―1265 (72)発明者 プレマニク ディパンカー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95014 クーパーティノ ジェームズタウ ン ドライヴ 1658 【要約の続き】 のデバイスの安定度及び信頼度を向上させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 (1) 平面化エッチバックマージンを向上させ、集積回路の信頼度及び安定度を改 善する方法において、 （ａ）少なくとも１つの能動デバイスを含む上記集積回路をサブストレート 上に形成させる段階を備え、上記段階は上記サブストレート上の第１の金属レベ ルに少なくとも第１及び第２のトレースを形成させる段階を含み、 （ｂ）上記サブストレート上の上記第１の金属レベルの上にシリコン増強酸 化物の層を堆積させる段階と、 （ｃ）上記シリコン増強酸化物の層の上に予備的な金属間酸化物の層を堆積 させる段階と、 （ｄ）上記予備的な金属間酸化物の層をエッチバックして上記集積回路を平 面化する段階と をも備え、 上記段階（ｄ）が上記第１の金属レベルに接近すると、上記シリコン増強酸 化物が上記段階（ｄ）を遅くし、 上記シリコン増強酸化物は、電荷を中和し、そしてホットキャリヤ寿命を増 大させることによって上記集積回路の信頼度及び安定度を改善する ことを特徴とする方法。 (2) 上記段階（ｂ）は、約 1.50 よりも大きい屈折率を有する上記シリコン増強 酸化物を堆積させる段階を含む請求項(1)に記載の方法。 (3) 上記段階（ｂ）は、(i)プラズマ強化化学蒸着（“ＰＥＶＣＤ”）の使用、( ii)シラン、亜酸化窒素、及び窒素ガスの使用、(iii)約 400°Ｃの温度の使用、 (iv)少なくとも約 10¹⁷/ｃｍ³ 懸垂結合を含む上記シリコン増強酸化物層の形成 、及び(v)上記シリコン増強酸化物層をほぼ 1,000Å乃至 2,000Åの範囲の厚み に形成することからなる群から選択された少なくとも１つのパラメタを用いて遂 行される請求項(1)に記載の方法。 (4) 上記段階（ｃ）は、(i)テトラ・エチル・オルソ・シリケードをベースとす る（“ＴＥＯＳ基”）酸化物の層を形成させる段階と、(ii)上記ＴＥＯＳ基酸 化物層の上にスピン・オン硝子（“ＳＯＧ”）の層を形成させる段階とを含む請 求項(1)に記載の方法。 (5) 上記段階（ｃ）は、(i)ほぼ 4,000Å乃至 6,000Åの範囲の厚みを有する上 記ＴＥＯＳ基酸化物を形成させる段階と、(ii)上記ＴＥＯＳ基酸化物の厚みのほ ぼ半分の厚みを有する上記ＳＯＧを形成させる段階とを含む請求項(1)に記載の 方法。 (6) 上記第１及び第２のトレースは、水平方向に約 10,000 Åより小さく離間し ている請求項(1)に記載の方法。 (7) （ｅ）上記段階（ｄ）が完了した後に、上記予備的な金属間酸化物の層の上 にキャップ酸化物の層を形成させる段階 をも含む請求項(1)に記載の方法。 (8) （ｆ）上記キャップ酸化物の層及び上記予備的な金属間酸化物の層を通る少 なくとも１つのバイアを形成させる段階と、 （ｇ）上記キャップ酸化物の層の上に位置する上記第２の金属レベルに少な くとも１つのトレースを形成させる段階 をも含む請求項(7)に記載の方法。 (9) （ｈ）上記第２の金属レベルの上に上記シリコン増強酸化物の層を堆積させ る段階 をも含む請求項(7)に記載の方法。 (10)平面化エッチバックマージンを向上させ、少なくとも１つのサブミクロンデ バイスを含む集積回路の信頼度及び安定度を改善する方法において、 （ａ）上記少なくとも１つの能動デバイスを含む上記集積回路をサブストレ ート上に形成させる段階を備え、上記段階は上記サブストレート上の第１の金属 レベルに少なくとも第１及び第２のトレースを形成させる段階を含み、 （ｂ）上記サブストレート上の上記第１の金属レベルの上に、少なくとも約 1.50の屈折率を有するシリコン増強酸化物の層を堆積させる段階と、 （ｃ）上記シリコン増強酸化物の層の上に予備的な金属間酸化物の層を堆積 させる段階と、 （ｄ）上記予備的な金属間酸化物の層をエッチバックして上記集積回路を平 面化する段階と をも備え、 上記段階（ｄ）が上記第１の金属レベルに接近すると、上記シリコン増強酸 化物が上記段階（ｄ）を遅くし、 上記シリコン増強酸化物は、電荷を中和し、そしてホットキャリヤ寿命を増 大させることによって上記集積回路の信頼度及び安定度を改善する ことを特徴とする方法。 (11)上記段階（ｂ）は、(i)プラズマ強化化学蒸着（“ＰＥＶＣＤ”）の使用、( ii)シラン、亜酸化窒素、及び窒素ガスの使用、(iii)約 400°Ｃの温度の使用、 (iv)少なくとも約 10¹⁷/ｃｍ³懸垂結合を含む上記シリコン増強酸化物層の形成 、及び(v)上記シリコン増強酸化物層をほぼ 1,000Å乃至 2,000Åの範囲の厚み に形成することからなる群から選択された少なくとも１つのパラメタを用いて遂 行される請求項(10)に記載の方法。 (12)上記段階（ｃ）は、(i)ほぼ 4,000Å乃至 6,000Åの範囲の厚みを有するテ トラ・エチル・オルソ・シリケードをベースとする（“ＴＥＯＳ基”）酸化物の 層を形成させる段階と、(ii)上記ＴＥＯＳ基酸化物層の厚みのほぼ半分の厚みを 有するスピン・オン硝子（“ＳＯＧ”）の層を上記ＴＥＯＳ基酸化物層の上に形 成させる段階とを含む請求項(10)に記載の方法。 (13)上記段階（ｃ）は、(i)上記シリコン増強酸化物層の厚みのほぼ 250％乃至 400 ％の範囲の厚みを有するテトラ・エチル・オルソ・シリケートをベースとす る（“ＴＥＯＳ基”）酸化物の層を形成させる段階と、(ii)上記ＴＥＯＳ基酸化 物層の厚みのほぼ 50 ％の厚みを有するスピン・オン硝子（“ＳＯＧ”）の層を 上記ＴＥＯＳ基酸化物層の上に形成させる段階とを含む請求項（10）に記載の方 法。 (14)上記第１及び第２の金属トレースは、水平方向に約 5,000Åより小さく離間 している請求項(10)に記載の方法。 (15)（ｅ）上記段階（ｄ）が完了した後に、上記予備的な金属間酸化物の層の上 にキャップ酸化物の層を形成させる段階 をも含む請求項(10)に記載の方法。 (16)（ｆ）上記キャップ酸化物の層及び上記予備的な金属間酸化物の層を通る少 なくとも１つのバイアを形成させる段階と、 （ｇ）上記キャップ酸化物の層の上に位置する上記第２の金属レベルに少な くとも１つのトレースを形成させる段階 をも含む請求項(15)に記載の方法。 (17)（ｈ）上記少なくとも第２の金属レベルのトレースの上に上記シリコン増強 酸化物の層を堆積させる段階 をも含む請求項(16)に記載の方法。 (18)改善された信頼度及び安定度と、平面化エッチバック処理に対するより大き い許容度とを有する集積回路において、 その上に形成されている少なくとも１つの能動デバイスと、その上に形成さ れている少なくとも第１及び第２の導電性トレースとを有するサブストレートと 、 上記サブストレート上の上記金属レベルの上に形成され、少なくとも約 1.5 0 の屈折率を有するシリコン増強酸化物の層と、 上記シリコン増強酸化物の層の上に位置する予備的な金属間酸化物の層と を備え、 上記予備的な金属間酸化物の層は、平面化段階中にエッチバックされ、 上記予備的な金属間酸化物の層のエッチバック中に、エッチングが上記第１ の金属レベルに接近すると、上記シリコン増強酸化物が上記エッチバックを遅く し、 上記シリコン増強酸化物は、電荷を中和し、そしてホットキャリヤ寿命を増 大させることによって上記集積回路の信頼度及び安定度を改善する ことを特徴とする集積回路。 (19)上記シリコン増強酸化物の層は、(i)プラズマ強化化学蒸着（“ＰＥＶＣＤ ”）の使用、(ii)シラン、亜酸化窒素、及び窒素ガスの使用、(iii) 約 400°Ｃ の温度の使用、(iv)少なくとも約 10¹⁷/ｃｍ³ 懸垂結合を含む上記シリコン増強 酸化物層の形成、及び(v)上記シリコン増強酸化物層をほぼ 1,000Å乃至 2,000 Åの範囲の厚みに形成することからなる群から選択された少なくとも１ つのパラメタを用いて形成される請求項(18)に記載の集積回路。 (20)予備的な金属間酸化物の層は、テトラ・エチル・オルソ・シリケードをベー スとする（“ＴＥＯＳ基”）酸化物の層と、スピン・オン硝子（“ＳＯＧ”）の 層とを含み、上記ＴＥＯＳ基酸化物は(i)ほぼ 4,000Å乃至 6,000Åの範囲の厚 み、及び(ii)上記シリコン増強酸化物層の厚みのほぼ 250％乃至400 ％の範囲の 厚みからなる群から選択された厚みを有し、上記ＳＯＧは、上記ＴＥＯＳ基酸化 物の厚みのほぼ 50 ％の厚みを有している請求項(18)に記載の集積回路。 (21)上記金属レベルは、(i)上記金属レベルが第１の金属レベルである、(ii)上 記金属レベルが第２の金属レベルである、(iii)上記金属レベル上の隣接するト レースが水平方向に約 10,000 Åより小さく離間している、及び(iv)上記金属レ ベル上の隣接するトレースが水平方向に約 5,000Åより小さく離間している、か らなる群から選択された少なくとも１つの特性を有している請求項(18)に記載の 集積回路。