JPH10189578A

JPH10189578A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH10189578A
Application number: JP34028396A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kubo; 誠久保
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】上記の様に、従来の層間絶縁膜による平坦化に
際して、ベース絶縁膜（第一の層間絶縁膜）が上層の平
坦化膜（第二の層間絶縁膜）に対するリフロー性（濡れ
性）として満足すべき特性を有していない為、上層の平
坦化膜の平坦度及び表面モフォロジーが悪化するという
問題点が、また水分に対するブロック性に関し満足すべ
き特性を有していない為、下層配線の抵抗変化やコロー
ジョン発生或いは素子のホットキャリア信頼性の問題が
あった。本発明ではこれらの問題を改善する新規なベー
ス膜形成方法を提供するものである。【解決手段】半導体基板上に形成された素子や配線を被
膜する平坦化膜の下層であるベース絶縁膜（第一の層間
絶縁膜）の成膜後にＮ₂ Ｏガスによるプラズマ処理を施
し、引き続いてＯ₂ ガスによるプラズマ処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に多層配線構造における層間絶縁膜の形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路において、集積度を上げ
る為の手段として微細化とともに配線材料を多層にわた
って形成するいわゆる多層配線化が進んで来ている。こ
の様な多層配線構造を有する集積回路の製造工程は近
年、複雑化・長工程化してきており、製品の歩留り低下
や製造コスト増加等の問題の大きな要因として問題視さ
れている。特に多層配線形成工程が集積回路の製造価格
に占有する割合は大きく、コストダウンを図る上で多層
配線工程のコスト低減化の要求が高まって来ている。従
来の多層配線形成工程に於いては、下層配線材料を堆積
後リソグラフィ及びエッチングにより下層配線パターン
形成後に層間絶縁膜を被膜する。この段階では、上記層
間絶縁膜の表面には下層配線層のパターン等に起因した
段差が存在し、この状態でプロセスが進行すると、上層
配線のパターン形成時にリソグラフィの焦点深度余裕が
無い等の原因で、段差下でレジストが太りエッチング後
に上層配線のショートが発生したり、或いは段差上でレ
ジストが細りエッチング後に上層配線の断線不良をもた
らす等の問題があった。そこで最近では通常、上層配線
を堆積する前にその下地となる第一の層間絶縁膜の表面
をレジストエッチバック法やＣＭＰ（Chemical Mechani
cal Polishing)法等で平坦化して段差を緩和した後、第
二の層間絶縁膜を形成している。しかし、この方法によ
ると、１回目の成膜，平坦化，２回目の成膜と工程数が
多く、上記の様な多層配線工程の工程削減の要求には十
分応える事が出来なかった。

【０００３】ところで、層間絶縁膜の平坦化技術の一つ
としてＡＰＬ（Advansed PLanarizing interlayer-diel
ectric）プロセスが報告されている（文献；Matsuura e
t al.,IEEE Tech.Dig.,P117,1994）。図８に従来のＡＰ
Ｌプロセスの工程の一例を示す。図中、８０１は半導体
基板、８０２は下層配線、８０３はベース絶縁膜（第一
の層間絶縁膜）、８０４はＮ₂ Ｏプラズマ処理若しくは
Ｏ₂ プラズマ処理、８０５はリフローＳｉＯ₂ 膜（第二
の層間絶縁膜）、８０６はキャップ絶縁膜（第三の層間
絶縁膜）、８０７は上層配線を示す。図８（ａ）はリソ
グラフィ及びエッチングにより半導体基板８０１上に下
層配線８０２を形成したものである。次に、図８（ｂ）
に示す様に下層配線８０２上に通常のプラズマＣＶＤ法
によりベース膜（第一の層間絶縁膜）８０３を形成す
る。次に図８（ｃ）に示す様に、ベース膜８０３表面に
対してＮ₂ Ｏプラズマ処理若しくはＯ₂ プラズマ処理８
０４を施す。しかる後に、図８（ｄ）に示す様にＳｉＨ
₄ ガスと、酸化剤としてＨ₂Ｏ₂ （過酸化水素水）を低
温（例えば０℃）, 真空中で反応させることにより、下
層配線上に平坦化膜として自己流動性（リフロー性）の
ＳｉＯ₂ 膜（以下リフローＳｉＯ₂ 膜という）を形成す
る。次に図８（ｅ）の様にプラズマＣＶＤ法によりキャ
ップ絶縁膜（第三の層間絶縁膜）８０６を形成した後に
ファーネスアニールを行う。その後、スパッタにより上
層配線材料を被膜し、リソグラフィ及びエッチングによ
り上層配線８０７を形成する。ここに述べたＡＰＬプロ
セスは、自己流動性の酸化膜のリフロー性により平坦化
を試みるものである。この方法は、下層配線の配線相互
間の絶縁膜の埋め込みと絶縁膜表面の平坦化を同時に達
成でき、１回の成膜には平坦化工程が含まれる為、多層
配線の工程削減ひいてはコスト削減の要求に十分応える
ことが出来る。

【０００４】ところが、従来のＡＰＬプロセス技術にお
いては、以下に述べる様な問題点を有していた。このＡ
ＰＬプロセス技術では、リフローＳｉＯ₂ 膜中の水分を
上記のファーネスアニールで膜外へ脱離させる事が必須
である。水分脱離が不十分な場合は、残存水分が、下層
配線に対しては配線抵抗の変化やコロージョン発生等の
影響を、また素子自体に対してはホットキャリア信頼性
耐性劣化等の悪影響を及ぼすことが知られている。次
に、膜外への脱離方向を下方・上方にわけて考察する。
下方に水分が拡散した場合は下層配線や素子に重大な影
響を及ぼすが、その反面上方には何も構造体が存在して
いない為、膜中水分が全て上方に拡散した場合はデバイ
スに対する悪影響は何ら考えなくて良い。従って、上に
示した様なＡＰＬ膜構造に鑑みると、リフローＳｉＯ₂
膜の直下にあるベース膜こそが水分下方拡散に対するブ
ロックの役割を担っており、このブロック性の良否が極
めて重要な問題となる。この様な水分のブロック性を考
慮して、ベース膜としてはプラズマＣＶＤで成膜される
プラズマＳｉＯＮ膜またはプラズマＳｉＮ膜の適用が検
討されている。しかしながら、これらの従来のベース膜
には以下の様な問題がある。まずプラズマＳｉＯＮ膜に
関しては、肝心の水分ブロック性が満足するレベルに達
しているとは言えない。具体的には下層配線の抵抗変化
やコロージョン発生或いは素子のホットキャリア信頼性
劣化に代表される悪影響が顕在化している。そもそもプ
ラズマＳｉＯＮ膜は、膜密度等の物性面に鑑みると水分
拡散ブロック能力に対して過大な期待は持てず、膜自身
の水分ブロッキング能力レベルの向上が必要である。一
方プラズマＳｉＮ膜では、逆に膜密度等の物性面に鑑み
ると水分拡散ブロック能力は絶縁膜の中では優秀であ
り、実際にＡＰＬプロセスにおけるベース膜に用いた場
合でもデバイスの悪影響を軽減するという見地からは良
好な結果が得られている。しかし、以下の様な問題点も
同時に有している。その一つとして、プラズマＳｉＮは
ＮＨ₃ ガスを用いて成膜されていることに起因して膜中
や膜表面には［−ＮＨ₂ ］［−ＮＨ］基が多数存在して
いることである。これらの［−ＮＨ₂ ］［−ＮＨ］基は
直上の平坦化膜のリフロー性を損なうことが知られてお
り、実際にベース膜にプラズマＳｉＮ膜を採用した場合
にはリフローＳｉＯ₂ 膜の平坦度及び表面モフォロジー
が悪化する。ここで、表面モフォロジーとは被膜後の表
面の微小な起伏の事を言う。この様に平坦度が悪化する
と、図８（ｅ）におけるリフローＳｉＯ₂ 膜８０５の被
膜後の起伏の影響で、上層配線８０７のリソグラフィ及
びエッチング後には段差上（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）におけ
る上層配線が細り、逆に段差下における上層配線が太
る。図９に上記にて説明した図８（ｅ）の上面図を示
す。この様に上層配線９０７が、段差上部であるＬ１，
Ｌ２，Ｌ３部では細くなり、段差下部では上層配線９０
７が太くなっているのが分かる。この現象は上層配線９
０７の抵抗変化に悪影響を与える事は言うまでもない
が、極端な場合には図９に示した様にショート不良を引
き起こす。

【０００５】次に、平坦度及び表面モフォロジーを劣化
させる他の作用について説明する。プラズマＳｉＯＮ膜
及びプラズマＳｉＮ膜は成膜される時プラズマチャンバ
ー内の側壁部にも膜が付着する。この膜は一定膜厚にな
るとＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスを用いて除去するといった、
いわゆるドライクリーニングが行われる。しかし、プラ
ズマＳｉＮ膜は膜の緻密度が高い為、プラズマＳｉＯＮ
膜と比べてドライクリーニング時の膜の除去性が悪く、
成膜を繰り返す毎に膜の除去がより困難になる為、除去
不可能な膜が積層される。そして、その積層膜の堆積度
に比例してリフローＳｉＯ₂ 膜のリフロー性が著しく悪
化するといった現象が最近明らかになった。この悪影響
は、プラズマＳｉＮ膜だけでなく同一チャンバーで成膜
されるプラズマＳｉＯＮ膜にも及び、プラズマＳｉＮ膜
よりも平坦性に優れたプラズマＳｉＯＮ膜適用時にも同
様にＡＰＬリフローＳｉＯ₂ 膜の表面モフォロジーを悪
化させることも明らかになった。これは、成膜が平坦化
工程を含むことにより工程削減が達成出来るという点に
その価値を見出しているＡＰＬプロセスにとって問題で
ある。このことからも、上記ベース膜のリフロー性を向
上する必要があった。上記の様に、従来ＡＰＬのベー
ス膜として用いられていた膜には各々上記の様な問題点
が顕在化していた。つまり、プラズマＳｉＯＮ膜につい
ての主たる問題は水分に対するブロック性が劣るという
性質から下層配線抵抗の変化やコロージョン発生或いは
素子のホットキャリア信頼性の劣化といった、またプラ
ズマＳｉＮ膜についての主たる問題は［−ＮＨ₂ ］［−
ＮＨ］がリフロー性を損なう事から平坦度及び表面モフ
ォロジーが悪化するという点が顕在化しており、各々改
善の余地を抱えていた。

【０００６】尚、プラズマＳｉＯＮ膜及びプラズマＳｉ
Ｎ膜を例に主な問題点を記述したが、上記問題点はこれ
らに限らず、絶縁膜を多層の層間絶縁膜のベース膜つま
り平坦化層の下層膜として適用する場合に常に発生する
問題である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の様に、従来の層
間絶縁膜による平坦化において、ベース絶縁膜（第一の
層間絶縁膜）が上層の平坦化膜（第二の層間絶縁膜）に
対するリフロー性（濡れ性）及び水分に対するブロック
性に関し満足すべき特性を有していない為、前者に対し
ては上層の平坦化膜の平坦度及び表面モフォロジーが悪
化するという問題点が、また後者に対しては下層配線の
抵抗変化やコロージョン発生或いは素子のホットキャリ
ア信頼性の問題があった。本発明ではこれらの問題を改
善する新規なベース膜形成方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題を解決
すべくなされたもので、半導体基板上に形成された素子
や配線を被膜する平坦化膜の下層であるベース絶縁膜
（第一の層間絶縁膜）の成膜後にＮ₂ Ｏガスによるプラ
ズマ処理を施し、引き続いてＯ₂ ガスによるプラズマ処
理を施すものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至６を参照して、本
発明に係る半導体装置の製造方法の実施例を詳細に説明
する。〈発明の実施の形態１〉図１は、本発明に係る半導体装
置の製造方法における工程の一例を示したものである。
図中、１０１は半導体基板、１０２は下層配線、１０３
はベース絶縁膜（第一の層間絶縁膜）、１０４ＡはＮ₂
Ｏプラズマ処理、１０４ＢはＯ₂ プラズマ処理、１０５
はリフローＳｉＯ₂ 膜（第二の層間絶縁膜）、１０６は
キャップ絶縁膜（第三の層間絶縁膜）、１０７は上層配
線を示す。図１（ａ）はリソグラフィ及びエッチングに
より半導体基板１０１上に下層配線１０２を形成したも
のである。この状態の基板に対し、図１（ｂ）に示す様
に下層配線１０２上に通常のプラズマＣＶＤ法によりベ
ース膜（第一の層間絶縁膜）１０３として１５０ｎｍ厚
のプラズマＳｉＮを形成する。次に図１（ｃ）に示す様
に、ベース膜１０３表面に対してＮ₂ Ｏプラズマ処理１
０４Ａを施す。次に図１（ｄ）に示す様に、Ｏ₂ プラズ
マ処理１０４Ｂを施す。しかる後に、図１（ｅ）に示す
様に下層配線上に８００ｎｍのリフローＳｉＯ₂ １０５
を形成するものである。次に図１（ｆ）の様にプラズマ
ＣＶＤ法によりキャップ絶縁膜（第三の層間絶縁膜）１
０６として３００ｎｍのプラズマＳｉＯを形成した後に
ファーネスアニールを行う。その後、スパッタにより上
層配線材料を被膜し、リソグラフィ及びエッチングによ
り上層配線１０７を形成する。

【００１０】以下、上記各処理に関し、処理装置に関す
る条件の記述とともに説明する。図３は、本発明に係る
半導体装置の製造方法における製造装置の一例を示した
もので、（ａ）は装置構成の概略図で、（ｂ）はプラズ
マ反応室、（ｃ）は減圧の熱ＣＶＤ（Chemical Vapor D
eposition ；化学気相成長法）処理室である。図中、３
０１は半導体基板、３０２はプラズマ反応室、３０３は
ウエハ搬送ロボットアーム、３０４はサセプタ、３０５
はガス導入口、３０６はロードロック室、３０７は減圧
熱ＣＶＤ処理室、３０８はＨ₂ Ｏ₂ 導入口、３０９は排
出口、３１０は上部電極（シャワーヘッド）、３１１は
下部電極、３１２はＲＦ源を示す。まず、上記図１
（ａ）の状態の半導体基板３０１は、図３（ｂ）の真空
に排気されたプラズマ反応室３０２内にウエハ搬送ロボ
ットアーム３０３により搬送され、３００℃に設定され
たサセプタ３０４上に設置される。そして図１（ｂ）に
示したベース膜（第一の層間絶縁膜）１０３としてプラ
ズマＳｉＮを、ガス導入口３０５よりガス（流量は各々
ＳｉＨ₄ １５０ｃｃ，Ｎ₂ Ｏ３５００ｃｃ，ＮＨ₃ ３
５０ｃｃ，Ｎ₂ １５００ｃｃ）を導入し、圧力６６５Ｐ
ａ，ＲＦパワー１００Ｗの条件で放電させる事により成
膜する。続いて半導体基板３０１を同一サセプタ３０４
上に常温で保持したままガス種を切り替える。まずＮ₂
Ｏ２５００ｃｃ, 圧力６６５Ｐａ，ＲＦパワー５００
Ｗ（パワー密度０．２４１Ｗ／ｃｍ² ）の条件で１５秒
間のＮ₂ Ｏプラズマ処理を施す。次にガス種を再度切り
替え、Ｏ₂１０００ｃｃ, 圧力６６５Ｐａ，ＲＦパワー
１００Ｗ（パワー密度０．２４１Ｗ／ｃｍ² ）の条件で
１５秒間のＯ₂ プラズマ処理を施す。次に、背圧の真空
度を保持したまま、半導体基板３０１をプラズマ反応室
３０２外に搬出してロードロック室３０６内に移送す
る。続いて半導体基板３０１を図３（ｃ）の減圧熱ＣＶ
Ｄ処理室３０７内に搬入して０℃に保持されたサセプタ
３０４上に設置する。次にＮ₂ 雰囲気下でサセプタ３０
４上で半導体基板３０１を保持する事により、先のプラ
ズマＳｉＮ膜の成膜〜Ｏ₂ プラズマ処理の余熱が放出さ
れる。この処理により、半導体基板表面温度は次のリフ
ロー工程において安定したリフロー特性が得られる温度
領域まで降下する。次に実際のＡＰＬ成膜ガス系である
ＳｉＨ₄ ＋Ｎ₂ ガスをガス導入口３０５より、またＨ₂
Ｏ₂ をＨ₂ Ｏ₂ 導入口３０８より導入してＳｉＨ₄ 流量
安定化段階に移行する。この時の条件は、ＳｉＨ₄ １
０ｃｃ，Ｈ₂ Ｏ₂ ０．６５ｇ／ｍｉｎ，Ｎ₂ ５００ｃ
ｃ, 温度０℃，圧力６６５Ｐａ，時間１０秒である。こ
れに続いてＳｉＨ₄ のみ１２０ｃｃに増量してリフロー
ＳｉＯ₂ の成膜が開始され、８００ｎｍ成膜終了後に、
すべての導入ガスは排出口３０９より排出されて減圧熱
ＣＶＤ処理室３０４は背圧の真空度と同じにされる。次
に半導体基板３０１は減圧熱ＣＶＤ処理室３０７から搬
出されてロードロック室３０６を経由して再度プラズマ
反応室３０２へ搬入され、プラズマＣＶＤ法でキャップ
絶縁膜であるプラズマＳｉＯ膜（図１の１０６）を成膜
する。この時の温度及び圧力条件は前記ベース絶縁膜で
あるプラズマＳｉＮ膜の成膜時と同じ３００℃，圧力６
６５Ｐａであり、他の条件はＳｉＨ₄ １００ｃｃ，Ｎ₂
Ｏ２０００ｃｃ，Ｎ₂ １０００ｃｃ，ＲＦパワー５００
Ｗである。次に、別置きのの炉アニール装置で最終の熱
処理を４５０℃，３０分行う。

【００１１】以上、ベース絶縁膜（第一の層間絶縁膜）
としてプラズマＳｉＮ膜を使用した場合のプロセスにつ
いて説明したが、他の膜を使用した場合の成膜処理条件
を以下に示す。まず酸化窒化シリコン膜の場合は、Ｓｉ
Ｈ₄ １５０ｃｃ，Ｎ₂ Ｏ３５００ｃｃ，Ｎ₂ １５００
ｃｃ，圧力１１００Ｐａ，ＲＦパワー１００Ｗである。
アモルファスＳｉの場合は、ＳｉＨ₄ １５０ｃｃ，Ｎ₂
５００ｃｃ，Ｈ₂ ３０００ｃｃ，圧力１１００Ｐａ，Ｒ
Ｆパワー１００Ｗである。アモルファスカーボン水素の
場合は、ＣＨ₄ ４０ｃｃ，ＣＦ₄ １００ｃｃ，Ｃ₂ Ｆ₆
１００ｃｃ，Ｃ₄ Ｆ₈ １００ｃｃ，圧力５０Ｐａ，ＲＦ
パワー１．５ｋＷである。アモルファスカーボンフッ素
の場合は、Ｃ₂ Ｆ₆ １００ｃｃ，ＣＨ₄ １００ｃｃ，Ｈ
₂ １００ｃｃ，圧力５０Ｐａ，ＲＦパワー１．５ｋＷで
ある。〈発明の実施の形態２〉次に、本発明に係る半導体装置
の製造方法の別の実施例を詳細に説明する。上記発明の
実施の形態１と異なる点は、ベース絶縁膜としてプラズ
マＳｉＮを形成してＮ₂ Ｏプラズマ処理及びＯ₂ プラズ
マ処理を施した後、半導体基板１０１を一度大気に開放
する事である。つまり、図１（ｄ）においてＯ₂ プラズ
マ処理を施した後、ロードロック室３０６の真空を大気
圧状態にし、半導体基板３０１を大気に開放する。続い
て半導体基板３０１を図３（ｃ）の減圧熱ＣＶＤ処理室
３０７内に搬入して０℃に保持されたサセプタ３０４上
に設置する。次にＮ₂ 雰囲気下でサセプタ３０４上で半
導体基板３０１を保持する事により、先のプラズマＳｉ
Ｎ膜の成膜〜Ｏ₂ プラズマ処理の余熱が放出される。こ
の処理により、半導体基板表面温度は次のリフロー工程
において安定したリフロー特性が得られる温度領域まで
降下する。以降、上記〈発明の実施の形態１〉と同様、
リフローＳｉＯ₂ 膜，キャップ絶縁膜の成膜後、最終の
熱処理を行うものである。

【００１２】以下に、上記２つの〈発明の実施の形態〉
に関する作用効果について説明する。まず、上記Ｎ₂ Ｏ
プラズマ及びＯ₂ プラズマによる各処理を１５秒とした
理由を説明する。リフローＳｉＯ₂ 膜の平坦性は、リフ
ローＳｉＯ₂ 膜の反応中間生成物であるＳｉ( ＯＨ) ₄
に対する下地ベース絶縁膜表面の濡れ性（wettability)
に支配されていると理解されている。即ち親水性基とし
て代表的なＳｉ( ＯＨ) ₄ に対して良好な濡れ性を確保
する為には、下地ベース絶縁膜表面がやはり親水性を呈
する事が好ましい。図４にプラズマ処理時間と接触角の
関係を示す。これは、親水性評価として、純水をベース
絶縁膜表面に滴下した際の液滴の接触角評価を実施した
結果であり、一般的に接触角が小さい程良好な親水性を
呈していると言えるが、図４から明らかな様に、Ｎ₂
Ｏ，Ｏ₂ ともにプラズマ処理時間が２５秒以下の条件範
囲にて低い接触角を呈する事が分かる。

【００１３】次に、上記リフローＳｉＯ₂ 膜の成膜時の
温度条件を０℃とした理由を説明する。上記と同じ理由
で、リフローＳｉＯ₂ 膜の平坦性を良くするには、リフ
ローＳｉＯ₂ 膜の反応中間生成物であるＳｉ( ＯＨ) ₄
に対する下地ベース絶縁膜表面の濡れ性を高める必要が
ある。図５は、リフローＳｉＯ₂ 膜の成膜時の温度と接
触角の関係を示したものである。上記例では成膜時の温
度を０℃としたが、図より、フロー限界点を許容限界と
すると、成膜時に必要とされる温度は−１０℃以上１０
℃以下であることが分かる。

【００１４】次に、Ｎ₂ Ｏプラズマ処理及びＯ₂ プラズ
マ処理の作用効果について説明する。上記の様に、本発
明ではベース絶縁膜であるプラズマＳｉＯＮ膜やプラズ
マＳｉＮ膜に対して主として次の様な特性を示す。ま
ず、プラズマＳｉＯＮ膜に対してはＮ₂ Ｏプラズマ処理
中に発生したＮ₂ Ｏ，ＮＯ，Ｎイオンの内、主に質量数
の大きなＮ₂ Ｏイオンによりベース絶縁膜であるプラズ
マＳｉＯＮ膜表面にイオン衝撃効果が起こる。このイオ
ン衝撃効果により膜表面が緻密化（densify)されること
により表面に硬化層が形成され、結果的にプラズマＳｉ
ＯＮベース絶縁膜の水分ブロック能力の向上効果をもた
らす。さらに上記イオン種の内で、質量数の小さいＮ
は、他のイオン種に比べると相対的に高い運動エネルギ
ーを受け取ることになるので、Ｎ自身が優先的にベース
絶縁膜プラズマＳｉＯＮ膜の極表面層に注入される。こ
の極表面層においてＮを組成として含んだＳｉＯＮ膜化
が起こっている事も、上記ブロック能力向上に貢献して
いると考えられる。この事は、一般的に水分ブロック性
はプラズマＳｉＯ膜よりもプラズマＳｉＯＮ膜が優れて
いる事により解釈が得られる。次にベース絶縁膜として
プラズマＳｉＮ膜を適用した場合、ＳｉＯＮ膜とは異な
り水分ブロック性としては十分な能力を有している。こ
の事は、ＴＤＳ（Thermal Desorption Spectroscopy)分
析により得られるファーネスアニール後の膜中水分がプ
ラズマＳｉＯＮの約３％であり、ブロック能力が２倍近
い値を示していることで実証されている。しかし、その
反面成膜ガス種に起因して膜表面に[ −ＮＨ₂ ][−Ｎ
Ｈ] 基等が存在し、これらの基により直上のリフローＳ
ｉＯ₂ 膜の平坦性及び表面モフォロジーが妨げられる問
題点がある。これらの基はプラズマＳｉＮ膜の場合は成
膜時に排除することは非常に困難である為、成膜後に何
等かの解決策を施す必要がある。本発明においては、上
記の様に、Ｎ₂ Ｏプラズマ処理に引き続いてＯ₂ プラズ
マ処理を連続で施すものであり、プラズマ電力密度
（０．２４１〜２．４１０［Ｗ／ｃｍ² ］）及びガス圧
力（１３．３〜６６５［Ｐａ］）の条件を同時に満たす
範囲内で実施するものである。Ｎ₂ プラズマ処理やＯ₂
プラズマ処理時に発生したＯイオンやラジカルは[ −Ｎ
Ｈ₂ ][−ＮＨ] 基にアタックして酸化効果をもたらす事
はＦＴ−ＩＲ分析で裏付けられており、この効果によっ
て上記連続処理後には直後のＡＰＬ成膜時の平坦性悪化
が抑制される。分析結果によると、Ｎ₂ Ｏ単独処理プラ
ズマ或いはＯ₂ 単独処理プラズマの場合でも酸化効果は
あるが、実際のリフローＳｉＯ₂膜の平坦性は確保され
ない事が確認されている。唯一Ｎ₂ Ｏプラズマ処理に引
き続いてＯ₂ プラズマ処理を上記プラズマ電力密度
（０．２４１〜２．４１０［Ｗ／ｃｍ² ］）及びガス圧
力（１３．３〜６６５［Ｐａ］）の条件範囲で連続処理
した場合に、リフローＳｉＯ₂ 膜での平坦性が確保され
る事が確認された。この現象については以下の様な事が
言える。つまり、プラズマＳｉＯＮ膜やプラズマＳｉＮ
膜では膜中にもＮ分子が存在するが膜表面にも存在して
いる。この表面に対しＮ₂ Ｏガスでプラズマ表面処理を
施すことで、質量数の大きなＮ₂ Ｏイオンが膜表面のＮ
分子と共有され、Ｎ₂ Ｏプラズマ表面処理後では、逆に
Ｏ分子が膜表面に存在する様になるが、膜表面には未だ
Ｎ分子が存在する為完全なＯ分子ではない。次にＯ₂ プ
ラズマ表面処理を施す事によって、膜表面が初めて完全
なＯの高分子となる。このプラズマ表面処理後の状態で
リフローＳｉＯ₂ 膜を形成する際に、ＳｉＨ₄ ガスとＨ
₂ Ｏ₂ が反応してＳｉ( ＯＨ) ₄ が形成されると、膜の
表面がＯの高分子である為、始めにこれと共有される。
そして、その効果によりＳｉ( ＯＨ) ₄ がよりよく流動
される為、リフローＳｉＯ₂ 膜の平坦性及び表面モフォ
ロジーが格段に良くなる。この効果は、Ｎ₂ Ｏ或いはＯ
₂ のプラズマ単独処理の場合や上記とは逆のＯ₂ プラズ
マ処理に引き続いてＮ₂ Ｏプラズマ処理を施す場合には
得られない。

【００１５】上記の様に、本発明によればベース絶縁膜
上の絶縁膜の平坦性を向上する事が可能であり、その結
果上層配線におけるショート不良率を低減する事が可能
となる。図２に、上記にて説明した図１（ｆ）の上面図
を示す。この様に、図９の従来例の場合に上層配線９０
７が、段差上部であるＬ１，Ｌ２，Ｌ３部では細く段差
下部では太くなり、極端な場合にショート不良を引き起
こしていたものが、図２に示す様に上層配線２０７の幅
の段差上下部における変化が極端に少なくなっているの
が分かる。上層配線におけるショート不良率には、リフ
ローＳｉＯ₂ 膜の平坦性が反映される。即ちリフローＳ
ｉＯ₂ 膜の平坦性が良好な場合にはショート不良率は極
めて低い値を示し、逆にリフローＳｉＯ₂ 膜の平坦性
が悪化した場合にはショート不良率は増大する。図６に
２層配線構造における上層配線のショート不良率の電気
的特性評価結果をＡｌ配線のテストパターンの例により
示す。上層配線におけるショート不良率には、リフロー
ＳｉＯ₂ 膜の平坦性が反映される事を利用して上記条件
下、つまりプラズマＳｉＮ膜を１５０ｎｍ成膜し、引き
続き同一サセプタ上に常温で保持したままプラズマ処理
を施した後、リフローＳｉＯ₂ 膜を８００ｎｍ成膜し、
さらにキャップ絶縁膜膜としてプラズマＳｉＯＮ膜を３
００ｎｍ成膜してから、別置きの炉アニール装置で最終
の熱処理を４５０℃，３０分行ったもので実験したもの
である。この際、Ｎ₂ Ｏプラズマ処理とＯ₂ プラズマ処
理について、図示した様に各々実施したものと実施しな
いものを作成した。図６からＮ₂ Ｏプラズマ処理または
Ｏ₂ プラズマ処理のどちらかを行ったものに比べ、Ｎ₂
Ｏプラズマ処理に引き続きＯ₂ プラズマ処理を連続処理
したものは、Ａｌ配線ショート率が１／４〜１／５に低
減していることが分かる。また、上記発明の実施の形態
２の場合の様に、プラズマ連続処理後に大気に放置され
たものは、さらに低減している。これは、大気に放置す
ることでベース絶縁膜表面の親水性化がさらに進むこと
で濡れ性が向上し、良好な平坦度が得られた為と考えら
れる。

【００１６】また、本発明によればベース絶縁膜上の絶
縁膜の表面モフォロジー（被膜後の表面の微小な起伏）
を良好にする事が出来る。これは表面段差計にて表面の
起伏を測定した結果が、図６の「Ｏ₂ プラズマ処理あ
り」つまり従来例における条件で２．３μｍであったも
のが「Ｎ₂ Ｏ＋Ｏ₂ プラズマ処理」つまり本発明におけ
る条件で０．０３μｍと格段に表面モフォロジーが良く
なる事で実証されている。また図７に、水分に対する
ブロック性効果の評価に関する結果として、ＮＭＯＳト
ランジスタにおけるホットキャリア信頼性評価の一例を
示す。ゲートを６０ｎｍで加工し、ドレイン電圧を７Ｖ
印加したときのゲート電圧が５Ｖの状態で１００００秒
間ストレスを測定した。Ｏ₂ プラズマ処理のみ或いはＮ
₂ Ｏプラズマ処理のみの条件に対し、Ｎ₂ Ｏ＋Ｏ₂ プラ
ズマ処理を施したものは、ホットキャリア信頼性が向上
している事が分かる。

【００１７】以上、ベース絶縁膜（第一の層間絶縁膜）
の水分に対するブロック性に関する向上の作用について
はプラズマＳｉＯＮ膜を、また上層膜に対するリフロー
性（濡れ性）に関する作用についてはプラズマＳｉＮ膜
を例に説明したが、上記プラズマＳｉＯＮ膜，プラズマ
ＳｉＮ膜，アモルファスカーボン水素膜，アモルファス
カーボンフッ素膜，アモルファスＳｉ膜等の絶縁膜につ
いて、各々この水分に対するブロック性及びリフロー性
（濡れ性）の両者の向上が得られる。また、平坦化膜と
してリフローＳｉＯ₂ を例に問題点及び発明の実施の形
態を記述したが、本発明においては、平坦化層に例えば
ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）膜，ＴＥＯ
Ｓ−Ｏ₃ （テトラエチルオルソシリケート・オゾン）
膜，ＳＯＧ（Spin On Glass ）膜，ＢＰＳＧ（Boron Ph
osho Silicate Glass ）膜，ＳｉＯ₂ 膜等、一般の絶縁
膜であればすべて適用可能である。尚、本発明では多層
層間絶縁膜の積層数は２層以上であれば何層であっても
構わないし、また上記ベース絶縁膜がその何層目に位置
するかも問題ではなく、平坦化膜の下層としてベース絶
縁膜があれば上記効果が得られる事は明らかである。

【００１８】

【発明の効果】上述した様に、本発明によれば、多層の
層間絶縁膜においてベース絶縁膜（第一の層間絶縁膜）
上に被膜する絶縁膜の濡れ性が向上する事により、平坦
化工程を追加なくても良好な平坦性が確保され、上層配
線の抵抗変化やショート不良がなく且つ良好な表面モフ
ォロジーを有する半導体装置を提供する事が可能となる
とともに、水分に対するブロック性が向上する事によ
り、下層配線の抵抗変化やコロージョン発生或いは素子
のホットキャリア信頼性の劣化を回避する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体装置の製造方法における工
程の一例を断面により示したものである。

【図２】図１（ｆ）の上面図であって、本発明に係る半
導体装置の製造方法における加工後の上層配線を示した
ものである。

【図３】本発明に係る半導体装置の製造方法における製
造装置の一例を示したものであり、（ａ）は装置構成の
概略図、（ｂ）はプラズマ反応室［図３（ａ）の３０２
部の断面図］、（ｃ）は減圧の熱ＣＶＤ装置［図３
（ａ）の３０７部の断面図］である。

【図４】表面プラズマ処理の時間設定について説明する
為のグラフであってプラズマ処理時間と接触角の関係を
示したものである。

【図５】リフローＳｉＯ₂ 膜の成膜時の温度設定に関す
るグラフで基板温度と接触角の関係を示したものであ
る。

【図６】本発明の効果を説明する為のグラフで、図１
（本発明の実施の形態１，２）及び図７（従来例）の条
件下におけるＡｌ配線ショート率を比較したものであ
る。

【図７】ＮＭＯＳトランジスタにおけるホットキャリア
信頼性評価の一例である。

【図８】従来の半導体装置の製造方法における工程の一
例を断面により示したものである。

【図９】図８（ｅ）の上面図であって従来の半導体装置
の製造方法における上層配線を示したものである。

【符号の説明】

１０１３０１８０１：半導体基板１０２８０２：下層配線１０３８０３：ベース絶縁膜（第一の層
間絶縁膜）１０４Ａ：Ｎ₂ Ｏプラズマ処理１０４Ｂ：Ｏ₂ プラズマ処理８０４：Ｎ₂ Ｏプラズマ処理若しくはＯ₂ プラズマ
処理１０５８０５：平坦化膜（第二の層間絶
縁膜）１０６８０６：キャップ絶縁膜（第三の
層間絶縁膜）１０７８０７２０７９０７：上層配線３０２：プラズマ反応室３０３：ウエハ搬送ロボットアーム３０４：サセプタ３０５：ガス導入口３０６：ロードロック室３０７：減圧熱ＣＶＤ処理室３０８：Ｈ₂ Ｏ₂ 導入口３０９：排出口３１０：上部電極（シャワーヘッド）３１１：下部電極３１２：ＲＦ源３１３：チラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、第一の絶縁膜を堆積する
工程と、この第一の絶縁膜表面をＮ₂ Ｏガスによりプラ
ズマ処理を施す工程と、これに引き続きＯ₂ ガスにより
プラズマ処理を施す工程と、これらのプラズマ処理後に
第二の絶縁膜を堆積する工程を含むことを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第一の絶縁膜は酸化窒化シリコン膜で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項３】前記第一の絶縁膜は窒化シリコン膜である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項４】前記第一の絶縁膜はアモルファスカーボン
水素膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項５】前記第一の絶縁膜はアモルファスカーボン
フッ素膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項６】前記第一の絶縁膜はアモルファスシリコン
膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項７】前記第一の絶縁膜は表面が親水性であるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記Ｎ₂ Ｏガスによるプラズマ処理及びＯ
₂ ガスによるプラズマ処理時間は各々２５秒以下である
ことを特徴とする請求項２乃至３記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項９】前記第二の絶縁膜はＳｉＨ₄ ガスとＨ₂ Ｏ
₂ とＮ₂ ガスとを主たる反応材料として堆積されること
を特徴とする請求項１乃至８記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１０】前記第二絶縁膜は基板温度が−１０℃以
上１０℃以下の範囲内で堆積されることを特徴とする請
求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記プラズマ処理を施す工程と前記第二
の絶縁膜を堆積する工程の間に前記半導体基板を大気に
放置する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至１０
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】第一の絶縁膜を堆積する工程の前に、前
記半導体基板上に絶縁膜を被膜しその上に配線を形成す
る工程を少なくとも１工程以上含む事を特徴とする請求
項１乃至１１記載の半導体装置の製造方法。