JPH1032197A - 表面平坦化方法 - Google Patents

表面平坦化方法

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JPH1032197A
JPH1032197A JP18443796A JP18443796A JPH1032197A JP H1032197 A JPH1032197 A JP H1032197A JP 18443796 A JP18443796 A JP 18443796A JP 18443796 A JP18443796 A JP 18443796A JP H1032197 A JPH1032197 A JP H1032197A
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JP
Japan
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oxide film
condensed
film
forming
temperature
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JP18443796A
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Toru Yoshie
徹 吉江
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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  • Local Oxidation Of Silicon (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下地段差に起因する急峻な段差がその表面に
生じることのない凝縮酸化膜。 【解決手段】 開口部分13a を含む配線13上の全面、す
なわち段差を有するウエハ11上の全面に、SiH4ガスおよ
びN2O ガスを用いて第１プラズマ酸化膜15を設ける。次
に、SiH4ガスとH2O2ガスとを熱反応させることにより生
じた反応生成物を、下側酸化膜の成膜温度を40℃とし
て、第１プラズマ酸化膜15上の全面に凝縮させることに
より下側酸化膜17を形成する。これにより、下地段差の
急激な高低差変化を、滑らかな高低差変化に変える。次
に、SiH4ガスとH2O2ガスとを熱反応させることにより生
じた反応生成物を、成膜温度を0 ℃、成膜圧力を2.0 To
rrとして、下側酸化膜17上に凝縮させて、凝縮酸化膜19
を成膜した。その後、窒素雰囲気中で400 ℃の熱処理を
15分行う。その結果凝縮酸化膜19は収縮するが、下地段
差の上側、すなわち開口部分13a の上側の凝縮酸化膜19
の表面は、滑らかな高低差変化を有する下側酸化膜の影
響を受けて、滑らかな高低差変化を有する。

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、半導体素子の、
表面平坦化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年のＬＳＩの集積化により、配線等の
構成要素を、絶縁膜を介して階層的に形成する技術が進
んでいる。下地表面は、上述の構成要素により、凹凸
（以下、下地段差ともいう。）を有しているため、上層
に形成する金属配線を断線させないためにも、層間絶縁
膜の表面を平坦化する必要がある。表面平坦化方法とし
て様々なものが知られているが、近年、文献１：An Adv
anced Planarization Interlayer Dielectric Using Si
H4 and H2O2 Chemistry、D1 Process Symposium、1995、p
p.261、および文献２：Novel Self Planarization CVD
Oxide For Interlayer Dielectric Applicaton、IEDM94、
PP.117 に開示されているように、層間絶縁膜として、
凝縮酸化膜を用いる技術が注目されてきている。
【０００３】上述の文献１および２に開示されているよ
うに、この凝縮酸化膜は、例えば次のように形成され
る。成膜装置の真空チャンバ内で、ＳｉＨ4 （シラン）
ガスとＨ2 Ｏ2 （過酸化水素）ガスとを熱反応させるこ
とにより生じる、Ｓｉ（ＯＨ）X やＨ2 Ｏ等の反応生成
物を、０℃程度に冷却した基板上に、凝縮させて成膜す
る。凝縮した反応生成物は非常に流動性が高く、優れた
平坦性を有する膜が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
文献１および２に開示の表面平坦化方法は、成膜時に凝
縮酸化膜中に多くの水分が含まれるため、後工程での熱
処理において、大きな膜収縮が起きる。このため、成膜
時には凝縮酸化膜の表面は平坦であるものの、この熱処
理により、下地段差の上側に相当する部分の凝縮酸化膜
の表面に、急峻な段差が生じてしまう。これは、成膜時
にこの凝縮酸化膜の平坦性が非常に良好なため生じる特
有の形状である。このような急峻な段差が生じた凝縮酸
化膜の上に、上層配線を形成しようとすると、段差によ
る凹みの内側のパターンが、所望の形状とならないおそ
れがある。配線等のパターン形成には、通常ホトリソグ
ラフィ技術が用いられる。簡単に説明すると、凝縮酸化
膜の上の全面に、上層配線材料の膜を形成し、この膜を
所望のパターンに形成するために、上層配線材料の膜の
上の全面に、レジスト膜を設ける。その後、レジスト膜
に対して露光を行うが、凝縮酸化膜上に形成された上層
配線材料の膜およびレジスト膜は、凝縮酸化膜の凹凸に
倣った同様の形状で設けられる。このため、レジスト膜
の凹凸部分の内側の壁に光が反射してしまい（以下、こ
れを乱反射ともいう。）、凹みの内側部分のレジスト膜
のパターンが、本来形成したいパターンよりも細い幅に
形成されてしまったり、悪くすれば消失してしまったり
する場合がある。その後、レジストパターンをマスクと
して上層配線材料の膜のパターン形成を行うので、最終
的に、所望の上層配線パターンが得られなくなったり、
断線したパターンが形成されたりするという問題があっ
た。
【０００５】したがって、表面に急峻な段差を有するこ
とのない凝縮酸化膜を用いた表面平坦化方法の出現が望
まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため、この発明の表
面平坦化方法によれば、以下に示す１および２の方法で
凝縮酸化膜を形成することを特徴とする。大きく分け
て、１．凝縮酸化膜を二段階に分けて形成する方法、
２．凝縮酸化膜を厚く形成する方法、の二つがある。
【０００７】１．凝縮酸化膜を二段階に分けて形成する
方法 下地表面に形成された段差を有する下地上に、表面が平
坦化された凝縮酸化膜を形成するに当たり、以下のａ）
およびｂ）の工程を含む。
【０００８】ａ）下地上に、下地段差に基づく下地表面
の急激な高低差変化を下側酸化膜の表面の滑らかな高低
差変化に変えるための、当該下側酸化膜を形成する。
【０００９】ｂ）下側酸化膜上に凝縮酸化膜を形成す
る。
【００１０】ここでいう下地は、配線等が形成された半
導体ウエハや、配線等が形成された層間絶縁膜等、表面
を平坦化する対象の平坦な基板や膜のことをいう。ま
た、段差とは、配線等の、下地上に設けられた素子の構
成成分と下地との間に生じる、凹凸のことをいう。
【００１１】素子表面の凹凸（下地段差）、すなわち配
線等の構成成分と下地との間の高低差変化を「急激な高
低差変化」と表現する。このような急激な高低差変化を
有する下地上に、下側酸化膜を形成する。この下側酸化
膜の、下地段差を覆う部分は、表面が平坦にはならない
程度であって、下地段差よりも緩やかな勾配を持つ高低
差変化になっている。この緩やかな勾配を持つ高低差変
化を、「滑らかな高低差変化」と表現する。この下側酸
化膜上に、すでに述べてある凝縮酸化膜を形成する。こ
のため、凝縮酸化膜成膜後の熱処理により、膜収縮が起
こっても、下地段差の影響をそのまま受けることがな
く、滑らかな高低差変化を有する下側酸化膜が緩衝材と
なって、下地段差の上側の凝縮酸化膜の表面も滑らかな
高低差変化を有することとなる。したがって、後工程
で、凝縮酸化膜上に上部配線を形成するときでも、ホト
リソグラフィ時のレジストパターンが所望のものよりも
細くなったり、断線して形成されたりする心配がない。
【００１２】ここで、凝縮酸化膜とは、２種類またはそ
れ以上の材料ガスの熱反応により生じた反応生成物を、
下地上に凝縮させて成膜することにより得られた膜のこ
とをいう。反応生成物を凝縮させて表面の平坦な膜を得
るには、下地の温度を好適な温度に保持する必要があ
る。この凝縮酸化膜として、例えば、上述の文献１およ
び文献２に開示されている凝縮酸化膜を用いる。この凝
縮酸化膜は、ＳｉＨ4 （シラン）ガスとＨ2 Ｏ2 （過酸
化水素）ガスとを熱反応させることにより生じた反応生
成物を、下地の温度を０℃に保持した状態で、この下地
上に凝縮させて成膜することにより得られる。成膜圧力
は、用いる装置や、形成したい膜の厚みによっても変わ
る。
【００１３】また、下側酸化膜は、凝縮酸化膜と同じ材
料を用いる場合、成膜温度を変えて形成するか、あるい
は、成膜温度は同一にして、成膜圧力または成膜装置に
流す材料ガスのガス流量を凝縮酸化膜の成膜時よりも低
く設定することにより、滑らかな高低差変化を有する下
側酸化膜を得ることができる。具体的には、例えば、材
料ガスのガス流量を一定として成膜圧力のみを下げたい
ときには、成膜装置内の排気口から排気するガスの排気
速度を上げる。また、成膜圧力を一定として材料ガスの
ガス流量のみを下げたいときには、ガスの排気速度を下
げる。
【００１４】また、下側酸化膜は、凝縮酸化膜と異なる
材料で形成してもよい。例えば、凝縮酸化膜の材料を、
ＳｉＨ4 ガスおよびＨ2 Ｏ2 ガスとすると、下側酸化膜
は、ＴＥＯＳガスとＯ3 ガスにより形成するＴＥＯＳ膜
としてもよい。その他、凝縮酸化膜との密着性等を考慮
して、種々好適な材料からなる下側酸化膜とすることが
できる。
【００１５】２．凝縮酸化膜を厚く形成する方法 下地表面に形成された段差を有する下地上に、表面が平
坦化された凝縮酸化膜を形成するに当たり、次のア）〜
ウ）の工程を含む。
【００１６】ア）下地上に、凝縮酸化膜を、この凝縮酸
化膜に対して後工程で熱処理を施しても、当該凝縮酸化
膜の表面に、下地の段差に起因する凹凸が生じない程度
の膜厚で、形成する。
【００１７】イ）凝縮酸化膜の表面に、この凝縮酸化膜
の水分脱離を抑えるための表面硬化層を形成する。
【００１８】ウ）表面硬化層の表面側から凝縮酸化膜に
対してイオン注入を行う。
【００１９】これは、下地段差の影響が伝わらないほ
ど、凝縮酸化膜の膜厚を大幅に厚くすることにより、表
面を平坦に形成しようというものである。本来ならば、
下地段差の影響が伝わらないほど厚く凝縮酸化膜を形成
すると、この膜を形成した後の、膜からの水分脱離に起
因して、後工程での熱処理で凝縮酸化膜にはクラックが
生じてしまう。このため、厚い凝縮酸化膜を形成した後
の試料（構造体）を、直ちに、例えば不活性ガスまたは
Ｏ2 、Ｎ2 Ｏ等酸化性ガスのプラズマにさらすことによ
り、膜表面に表面硬化層を形成する。この表面硬化層に
より、凝縮酸化膜形成後からイオン注入を行うまでの間
の、凝縮酸化膜の水分脱離を抑える。また、その後、表
面硬化層の表面側から凝縮酸化膜に対してイオン（不純
物ともいう。）注入を行うことにより、後工程での熱処
理で、凝縮酸化膜にクラックが生じるのを防ぐことがで
きる。用いる不純物材料は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ等、好適なも
のとすることができる。また、イオン注入量は、形成す
る凝縮酸化膜の膜厚等によって好適なものに設定する。
また、凝縮酸化膜の膜厚は、例えば、下地段差の平均の
高低差が７０００Å程度だとすれば、２μｍ程度とす
る。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図を参照してこの出願の発
明の各実施の形態について説明する。以下の説明中で挙
げる使用材料およびその量、処理時間、処理温度、膜厚
などの数値的条件は、これら発明の範囲内の好適例にす
ぎない。従って、これらの発明は、これら条件にのみ限
定されるものではない。また、図において、断面を示す
ハッチング等は一部分を除き省略してある。なお、第
１、第２、および第３の実施の形態は、凝縮酸化膜を２
段階に分けて形成する方法（以下、第１の表面平坦化方
法ともいう。）の例を示し、第４の実施の形態では凝縮
酸化膜を厚く形成する方法（以下、第２の表面平坦化方
法ともいう。）の例を示す。また、膜の形成はすべて、
図示しない成膜装置の真空チャンバ内で行われているも
のとする。なお、各図において、同一の構成成分は、同
じ符号を付して示してある。
【００２１】＜第１の実施の形態＞図１の（Ａ）〜
（Ｄ）は、第１および第２の実施の形態の表面平坦化方
法の段階的な工程図であり、段差が形成されている辺り
の構造体の概略的な断面図で示してある。
【００２２】ここでは、下地を半導体ウエハ１１とし
た。ウエハ１１上には配線１３が設けられ、この配線１
３がウエハ１１との間に段差（下地段差）を形成してい
る。配線１３の開口部分１３ａは、例えば隣り合う配線
１３どうしの隙間等の部分において見られる。ここでの
下地段差は、急激な高低差変化を有しており、高低差は
７０００Å程度であるものとする。
【００２３】この発明の第１の表面平坦化方法によれ
ば、段差を有する下地上に、表面が平坦化された凝縮酸
化膜を形成するに当たり、まず、下地上に、下地段差に
基づく下地表面の急激な高低差変化を下側酸化膜の表面
の滑らかな高低差変化に変えるための、当該下側酸化膜
を形成する。ここでは、次のような工程により、下側酸
化膜の形成を行った。まず、下側酸化膜形成の前に、前
述の開口部分１３ａを含む配線１３上の全面、すなわち
段差を有するウエハ１１上の全面に、ＳｉＨ4 ガスおよ
びＮ2 Ｏガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により、第１
プラズマ酸化膜１５を設ける（図１の（Ａ））。第１プ
ラズマ酸化膜１５は、次の工程で形成する下側酸化膜１
７の剥がれ防止のための密着膜でもあり、また、下側酸
化膜１７が下地（ここでは半導体ウエハ１１）を腐食す
るのを防止する腐食防止膜でもある。第１プラズマ酸化
膜１５の膜厚は、この膜が下地段差の形状を再現する程
度に薄いものとし、例えば１０００Å程度とする。この
ときの成膜温度は３００℃、成膜圧力は１．５Ｔｏｒｒ
程度である。ここでいう成膜温度とは、成膜のときの下
地の温度のことである。下地の温度は、ウエハの下側か
ら加熱する等、種々の好適な手段を用いて変化させるこ
とができる。
【００２４】次に、第１プラズマ酸化膜１５上の全面
に、下側酸化膜１７を、例えば４０００Å程度の膜厚で
形成する。ここでは、この下側酸化膜１７の形成は、次
のように行う。ＳｉＨ4 ガスとＨ2 Ｏ2 ガスとを熱反応
させることにより生じた反応生成物を、凝縮させること
により成膜する。すなわち、次に形成する凝縮酸化膜１
９と同様の材料で、ほぼ同じ形成方法であるが、成膜温
度を４０℃程度としたところが異なる。成膜温度が４０
℃程度であれば、上部に設ける凝縮酸化膜１９と同様の
流動性を有する膜とはならない。すなわち、下地段差の
急激な高低差変化が、滑らかな高低差変化に変わる程度
の流動性を有する膜が形成される（図１の（Ｂ））。こ
のときの成膜圧力は２．０Ｔｏｒｒとする。
【００２５】次に、この発明の第１の表面平坦化方法に
よれば、下側酸化膜１７上に凝縮酸化膜１９を形成す
る。ここでは、ＳｉＨ4 ガスとＨ2 Ｏ2 ガスとを熱反応
させることにより生じた反応生成物を、成膜温度を０
℃、成膜圧力を２．０Ｔｏｒｒとして、下側酸化膜１７
上に凝縮させて成膜した。このとき、凝縮酸化膜１９の
表面は、凝縮酸化膜１９自身の高い流動性により、表面
が平坦となっている（図示せず）。その後、凝縮酸化膜
１９中のＨ2 Ｏを取り除くために、例えば、窒素雰囲気
中で、４００℃の熱処理を、１５分行う。その結果凝縮
酸化膜１９は収縮するが、下地段差の影響をそのまま受
けることがなく、滑らかな高低差変化を有する下側酸化
膜が緩衝材となって、下地段差の上側、すなわち開口部
分１３ａの上側の凝縮酸化膜１９の表面も滑らかな高低
差変化となる（図１の（Ｃ））。
【００２６】次に、凝縮酸化膜１９上の全面に、ＳｉＨ
4 ガスおよびＮ2 Ｏガスを用いて、プラズマＣＶＤ法に
より、第２プラズマ酸化膜２１を設ける。このときの成
膜温度は３００℃、成膜圧力は１．５Ｔｏｒｒ程度であ
る。第２プラズマ酸化膜２１は、熱処理後の、凝縮酸化
膜１９の水分の再蒸発を防ぐために設ける。第２プラズ
マ酸化膜２１の膜厚は、この下側の三つの膜１５、１
７、１９のストレスを制御し、膜が割れないようにする
ための好適な膜厚とする。
【００２７】したがって、第１の実施の形態により形成
した凝縮酸化膜は、その表面に急峻な段差がなくなるた
め、後工程で、凝縮酸化膜上に上部配線を形成するとき
でも、ホトリソグラフィ時のレジストパターンが所望の
ものよりも細くなったりする心配がない。
【００２８】＜第２の実施の形態＞第２の実施の形態
は、基本的には第１の実施の形態と同様であるが、ここ
では、下側酸化膜１７を、成膜温度を０℃として形成す
る。すなわち、下側酸化膜１７を凝縮酸化膜１９と同じ
材料で形成し、かつ、下側酸化膜１７の成膜温度と、凝
縮酸化膜１９の成膜温度とを同一温度とした。したがっ
て、凝縮酸化膜１９と性質の異なる、所望の性質の下側
酸化膜１７を得るために、成膜の条件を次の１）または
２）のいずれかにする。
【００２９】１）下側酸化膜１７の成膜圧力を、この下
側酸化膜１７の表面に滑らかな高低差ができる程度の値
とする。
【００３０】第１の実施の形態では、下側酸化膜１７の
成膜圧力を２．０Ｔｏｒｒとしたので、ここではそれよ
りも低い好適な値とする。どのくらい低くするかは用い
る成膜装置や形成したい膜厚によっても変わるが、例え
ば５００ｍＴｏｒｒ程度とすれば、表面に滑らかな高低
差変化を有する下側酸化膜１７を得ることができる。
【００３１】２）下側酸化膜１７の形成は、熱反応させ
るために成膜装置に流入するＳｉＨ4 ガスおよびＨ2 Ｏ
2 ガスのガス流量を、この下側酸化膜１７の表面に滑ら
かな高低差ができる程度の値とする。
【００３２】ここでは、成膜装置（真空チャンバ）内に
流入するＳｉＨ4 ガスおよびＨ2 Ｏ2 ガスの各々のガス
流量を、第１の実施の形態よりも低くする。どのくらい
低くするかは、装置や形成する下側酸化膜の膜厚によっ
ても変わるが、滑らかな高低差変化を有する下側酸化膜
１７が得られる程度であれば良い。このとき、成膜圧力
を凝縮酸化膜１９と同一にするためには、成膜装置から
排出するガスの排気速度を、凝縮酸化膜１９を形成する
ときよりも低く設定すればよい。例えば、第１の実施の
形態では、ＳｉＨ4 ガスのガス流量が１２０ｃｃｍ、Ｈ
2 Ｏ2 ガスのガス流量が２５０ｃｃｍとして凝縮酸化膜
を形成しているとすれば、それぞれのガス流量を、これ
よりも低く設定する。
【００３３】以上のいずれか一つの処理を行うことによ
り、成膜時の下側酸化膜１７の脱水反応が促進され、滑
らかな高低差変化を有する下側酸化膜１７を形成するこ
とができる。
【００３４】図２の（Ａ）および（Ｂ）は、第２の実施
の形態の１）の条件で下側酸化膜１７を形成したとき
の、この下側酸化膜１７の脱水反応の様子を示す図であ
り、下側酸化膜１７の赤外吸収スペクトル変化を調べた
結果を示す。これは、下側酸化膜１７を形成した直後の
構造体を、成膜装置から大気中に取り出して、下側酸化
膜１７の赤外線の吸収特性を、ＦＴＩＲ（Fourie Trans
form of Infra Redspectroscopy ）により評価して得ら
れた図である。ＦＴＩＲとして、ここでは、Ｍａｔｐｓ
ｏｎ（商品名、Ｉｎｓｔｒａｍｅｎｔｓ社製、Ｇａｌａ
ｘｙ Ｓｅｒｉｅｓ、ＦＴＩＲ３０００）を用いた。
【００３５】すでに述べてあるように、下側酸化膜１７
は、ＳｉＨ4 とＨ2 Ｏ2 とを熱反応させて形成するた
め、この熱反応による反応生成物である、Ｓｉ（ＯＨ）
X およびＨ2 Ｏからなる膜である。このうちＳｉ（Ｏ
Ｈ）X は、大気中において、次の簡略化した式（１）で
示されるような反応が進んでいく（Ｘの取る値は安定し
ないが、通常４である）。
【００３６】 Ｓｉ−ＯＨ ＋ Ｓｉ−ＯＨ → Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ ＋ Ｈ2 Ｏ …（１） このため、大気中に取り出した後の下側酸化膜１７中に
は、Ｓｉ（ＯＨ）X 、Ｈ2 Ｏに加えて、Ｓｉ−Ｏが混在
していると考えられる。
【００３７】図２の（Ａ）および（Ｂ）は、どちらも縦
軸に吸光度（ａ．ｕ）を取り、横軸に波数（ｃｍ-1）を
とって示してある。また、図２の（Ａ）と（Ｂ）との違
いは、観測する波数の範囲である。
【００３８】図２の（Ａ）に示されるように、赤外吸収
スペクトル変化は、一つの山を持つ曲線として観測され
ている。すなわち、波数が２８００〜３８００（ｃ
ｍ-1）の範囲では、Ｈ−ＯＨの振動に起因する上述の形
状の曲線群Ｉが観測されている。曲線群Ｉにおいて、２
８００および３８００（ｃｍ-1）付近の裾の部分では、
吸光度は０．１７〜０．１８（ａ．ｕ）程度である。一
方、波数が３３００（ｃｍ-1）付近に、曲線にピークが
生じていて、このピーク値は、成膜後５分では０．１３
（ａ．ｕ）程度であり、成膜後５５分ではそのピーク値
は０．０６程度にまで低下していることがわかる。よっ
て、下側酸化膜１７中におけるＨ−ＯＨの割合（濃度）
が減少していることがわかる。
【００３９】また、図２の（Ｂ）に示される、波数が１
３００〜８００（ｃｍ-1）の範囲では、赤外吸収スペク
トル変化は、二つの山を持つ曲線として観測されてい
る。すなわち、８００〜１０００（ｃｍ-1）の範囲に、
Ｓｉ−ＯＨの振動に起因する、曲線群IIの部分および、
この曲線群IIの部分と１０００（ｃｍ-1）付近で繋がっ
ていて１０００〜１３００（ｃｍ-1）の範囲に、Ｓｉ−
Ｏの振動に起因する、曲線群III の部分が観測されてい
る。
【００４０】前者の曲線群IIにおいて、１０００および
１３００（ｃｍ-1）付近の裾の部分では、吸光度は０〜
０．０５（ａ．ｕ）程度である。また、波数が１１００
（ｃｍ-1）付近に、曲線群IIにピークが生じていて、こ
のピーク値は、成膜後５分では０．２２（ａ．ｕ）程度
であり、成膜後５５分ではそのピーク値は０．２８程度
にまで上昇していることがわかる。よって、下側酸化膜
１７中におけるＳｉ−Ｏの割合（濃度）が増加している
ことがわかる。
【００４１】また、後者の曲線群III において、８００
および１０００（ｃｍ-1）付近の裾の部分では、吸光度
は０．０１〜０．０５（ａ．ｕ）程度である。また、波
数が９５０（ｃｍ-1）付近に、曲線群III にピークが生
じていて、このピーク値は、成膜後５分では０．２０
（ａ．ｕ）程度であり、成膜後５５分ではそのピーク値
は０．１５程度にまで低下していることがわかる。よっ
て、下側酸化膜１７中におけるＳｉ−ＯＨ（Ｓｉ（Ｏ
Ｈ）4 ）の割合（濃度）が減少していることがわかる。
【００４２】これら簡略式（１）、および曲線群Ｉ、I
I、III より考察すると、成膜直後に、膜中に多く存在
していたＳｉ（ＯＨ）4 が、Ｓｉ（ＯＨ）4 どうしの反
応により、減少している（曲線群III ）のに対し、生成
されているＳｉ−Ｏは、時間の経過に伴って、膜中に存
在する割合が大きくなっている（曲線群II）。ここで、
Ｓｉ（ＯＨ）4 どうしの反応により生成されているはず
のＨ2 Ｏは、時間の経過と共に減少している（曲線群
Ｉ）ため、生成速度を上回る速さで、Ｈ2 Ｏの蒸発が起
こっていることが考えられる。
【００４３】したがって、下側酸化膜１７中には、固体
であるＳｉ−Ｏの存在する割合が高くなっていき、凝縮
酸化膜として形成する場合に比べて、流動性が低くな
る。このため、滑らかな段差を有する膜を形成すること
ができる。
【００４４】また、同じく、上記の２）の条件で下側酸
化膜１７を形成した場合においても、同様に赤外吸収ス
ペクトル変化を調べたが、ほぼ同様の結果が得られた。
【００４５】その他の部分においては、第１の実施の形
態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００４６】第１の実施の形態のように、成膜温度を変
えて下側酸化膜を形成する方法は、成膜装置（真空チャ
ンバ）内のガスの流れを変えないため、膜の面内分布の
劣化を抑えるという利点があるが、プロセス時間が長
い。これに対し、第２の実施の形態では、凝縮酸化膜１
９の表面に急峻な段差が生じないことのほかに、成膜温
度を変化させる必要がないため、プロセス時間の大幅な
短縮を図ることができる。
【００４７】＜第３の実施の形態＞図３の（Ａ）〜
（Ｄ）は、第３の実施の形態の表面平坦化方法の段階的
な工程図であり、段差が形成されている辺りの構造体の
概略的な断面図で示してある。ここでは、下側酸化膜の
材料を第１および第２の実施の形態と変えてある。以
下、第１の実施の形態と同様の部分は簡単な説明とし、
第３の実施の形態の説明をする。
【００４８】まず、配線１３が設けられた半導体ウエハ
１１上の全面、すなわち段差を有するウエハ１１上の全
面に、ＴＥＯＳ（TetraEthylorthosilicate ）ガスおよ
びＯ 2 ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により、第１プ
ラズマ酸化膜２５を設ける（図３の（Ａ））。第１プラ
ズマ酸化膜２５の膜厚は、この膜が下地段差の形状を再
現する程度に薄いものとし、例えば１０００Å程度とす
る。また、この時の成膜温度は４００℃、成膜圧力は
９．０Ｔｏｒｒとする。
【００４９】次に、第１プラズマ酸化膜２５上の全面
に、下側酸化膜２７を、例えば４０００Å程度の膜厚で
形成する。ここでは、この下側酸化膜２７は、ＴＥＯＳ
ガスおよびＯ3 ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により
形成した。この時の成膜温度は４００℃、成膜圧力は大
気圧とする。この結果、下地段差の急激な高低差変化
が、滑らかな高低差変化に変わる下側酸化膜２７を得る
ことができた（図３の（Ｂ））。
【００５０】次に、下側酸化膜２７上に凝縮酸化膜１９
を形成する。ここでは、ＳｉＨ4 ガスとＨ2 Ｏ2 ガスと
を熱反応させることにより生じた反応生成物を、成膜温
度を０℃、成膜圧力を２．０Ｔｏｒｒとして、下側酸化
膜２７上に凝縮させて成膜した。このとき、凝縮酸化膜
１９の表面は、凝縮酸化膜１９自身の高い流動性によ
り、表面が平坦となっている（図示せず）。その後、凝
縮酸化膜１９中のＨ2 Ｏを取り除くために、例えば、窒
素雰囲気中で、４００℃の熱処理を、１５分行う。その
結果凝縮酸化膜１９は収縮するが、下地段差の影響をそ
のまま受けることがなく、滑らかな高低差変化を有する
下側酸化膜が緩衝材となって、下地段差の上側、すなわ
ち開口部分１３ａの上側の凝縮酸化膜１９の表面も滑ら
かな高低差変化となる（図３の（Ｃ））。
【００５１】次に、凝縮酸化膜１９上の全面に、ＳｉＨ
4 ガスおよびＮ2 Ｏガスを用いて、プラズマＣＶＤ法に
より、第２プラズマ酸化膜２１を設ける（図３の
（Ｄ））。このときの成膜温度は３００℃、成膜圧力は
１．５Ｔｏｒｒ程度である。
【００５２】第１および第２の実施の形態では、滑らか
な高低差変化を有する下側酸化膜を、凝縮酸化膜と同じ
材料で、成膜条件を変えることにより形成しており、そ
のために成膜後の熱処理により収縮することを避けるこ
とができない。
【００５３】しかし、第３の実施の形態の下側酸化膜２
７は、すでに４００℃の高温で成膜しているため、凝縮
酸化膜１９形成後の熱処理で新たに収縮することがな
い。したがって、表面の凹みの大きさを、さらに小さく
することができる。
【００５４】＜第４の実施の形態＞図４の（Ａ）〜
（Ｄ）は、第４の実施の形態の表面平坦化方法の段階的
な工程図であり、段差が形成されている辺りの構造体の
概略的な断面図で示してある。第４の実施の形態では、
下側酸化膜を設けず、下地段差の影響が伝わらないほ
ど、凝縮酸化膜の膜厚を大幅に厚くすることにより、表
面の平坦な凝縮酸化膜の形成を図っている。
【００５５】この発明の第２の表面平坦化方法によれ
ば、下地表面に形成された段差を有する下地上に、表面
が平坦化された凝縮酸化膜を形成するに当たり、まず、
下地上に、凝縮酸化膜を、形成後の水分脱離に起因して
後工程の熱処理でクラックが生じる程度の膜厚で、表面
が平坦な膜として形成する。ここでは、下地を半導体ウ
エハ１１とした。
【００５６】まず、開口部分１３ａを含む配線１３上の
全面、すなわち段差を有するウエハ１１上の全面に、Ｓ
ｉＨ4 ガスおよびＮ2 Ｏガスを用いて、プラズマＣＶＤ
法により、第１プラズマ酸化膜１５を設ける（図４の
（Ａ））。第１プラズマ酸化膜１５の膜厚は、この膜が
下地段差の形状を再現する程度に薄いものとし、例えば
１０００Å程度とする。このときの成膜温度は３００
℃、成膜圧力は１．５Ｔｏｒｒ程度である。
【００５７】次に、第１プラズマ酸化膜１５上の全面
に、厚い凝縮酸化膜２９を形成する。ここでは、ＳｉＨ
4 ガスとＨ2 Ｏ2 ガスとを熱反応させることにより生じ
た反応生成物を、成膜温度を０℃、成膜圧力を２．０Ｔ
ｏｒｒとして、プラズマ酸化膜１５上に凝縮させて成膜
した（図４の（Ｂ））。このとき、凝縮酸化膜２９の表
面は、凝縮酸化膜２９自身の高い流動性により、表面が
平坦となっている。凝縮酸化膜２９の膜厚は、例えば、
下地段差の平均の高低差が７０００Å程度だとすれば、
２μｍ程度とすればよい。
【００５８】次に、凝縮酸化膜２９の表面に、この凝縮
酸化膜２９の水分脱離を抑えるための表面硬化層３１を
形成する。ここでは、凝縮酸化膜２９を形成した後の試
料（構造体）を、直ちに、例えばＮ2 等の不活性ガスの
プラズマにさらすことにより、膜表面に表面硬化層３１
を形成した（図４の（Ｃ））。この表面硬化層３１によ
り、凝縮酸化膜２９形成後から、次の工程のイオン注入
を行うまでの間に、凝縮酸化膜の水分脱離を抑えること
ができる。水分脱離を抑えるのは、後工程の熱処理で、
凝縮酸化膜にクラックが生じるのを防ぐためである。
【００５９】次に、表面硬化層３１の表面側から凝縮酸
化膜２９に対してイオン注入を行う。ここでは、Ｐ、
Ｂ、Ａｓ、Ｆのうちから選ばれた一つの不純物を、凝縮
酸化膜２９にイオン注入法により添加し、不純物添加凝
縮酸化膜３３を形成した。イオン注入量は、形成する凝
縮酸化膜の膜厚等によって好適なものに設定する。その
後、窒素雰囲気中で、４００℃の熱処理を、１５分行
う。その結果、不純物添加凝縮酸化膜３３は収縮する
が、下地段差の影響が伝わらないほど厚く形成されてい
るため、不純物添加凝縮酸化膜３３の表面には急峻な段
差が生じることがない（図４の（Ｄ））。
【００６０】本来ならば、下地段差の影響が伝わらない
ほど厚く凝縮酸化膜を形成すると、この膜を形成した後
の、膜からの水分脱離に起因して、後工程での熱処理で
凝縮酸化膜にはクラックが生じてしまう。ここでは、凝
縮酸化膜２９の表面に表面硬化層３１を形成して凝縮酸
化膜２９の水分脱離を抑えた上で、さらに、イオン注入
を行うことにより、このクラックの発生を防いでいる。
【００６１】このように、凝縮酸化膜を厚く形成するこ
とにより、表面に急峻な段差が生じることがない凝縮酸
化膜を得ることができる。また、付加的な効果として、
Ｂ、Ｆ原子を不純物として添加した場合は、酸化膜の誘
電率が下がり、素子の動作速度が向上するという利点が
ある。
【００６２】ここでは凝縮酸化膜を厚く形成する場合に
適用した例を示したが、凝縮酸化膜を通常の厚さ（例え
ば、第１〜第３の実施の形態の例と同じ程度）に形成す
る場合においても、表面硬化層およびイオン注入の処理
を行うことにより、膜の強度の向上が期待できる。
【００６３】この発明は、上述の各実施の形態にのみ限
定されるものではないことは明らかである。例えば、上
述の各実施の形態ではいずれも、ＳｉＨ4 ガスとＨ2 Ｏ
2 ガスとを熱反応させることにより生じた反応生成物
を、下地の温度を０℃に保持した状態で、この下地上に
凝縮させて成膜することにより凝縮酸化膜を形成した
が、材料、条件ともにこれに限らない。また、凝縮酸化
膜の成膜圧力等の数値的条件もここで示した実施の形態
に限定されることはない。
【００６４】
【発明の効果】上述の説明からも明らかなように、この
発明の第１の表面平坦化方法によれば、下地表面に形成
された段差を有する下地上に、表面が平坦化された凝縮
酸化膜を形成するに当たり、以下のａ）およびｂ）の工
程を含む。
【００６５】ａ）下地上に、下地段差に基づく下地表面
の急激な高低差変化を下側酸化膜の表面の滑らかな高低
差変化に変えるための、当該下側酸化膜を形成する。
【００６６】ｂ）下側酸化膜上に凝縮酸化膜を形成す
る。
【００６７】このため、凝縮酸化膜成膜後の熱処理によ
り、膜収縮が起こっても、下地段差の影響をそのまま受
けることがなく、滑らかな高低差変化を有する下側酸化
膜が緩衝材となって、下地段差の上側の凝縮酸化膜の表
面も滑らかな高低差変化となる。したがって、後工程
で、凝縮酸化膜上に上部配線を形成するときでも、ホト
リソグラフィ時のレジストパターンが所望のものよりも
細くなったりする心配がない。
【００６８】また、この発明の第２の表面平坦化方法に
よれば、下地表面に形成された段差を有する下地上に、
表面が平坦化された凝縮酸化膜を形成するに当たり、次
のア）〜ウ）の工程を含む。
【００６９】ア）下地上に、凝縮酸化膜を、形成後の水
分脱離に起因して後工程の熱処理でクラックが生じる程
度の膜厚で、表面が平坦な膜として形成する。
【００７０】イ）凝縮酸化膜の表面に、この凝縮酸化膜
の水分脱離を抑えるための表面硬化層を形成する。
【００７１】ウ）表面硬化層の表面側から凝縮酸化膜に
対してイオン注入を行う。
【００７２】このように、下地段差の影響が伝わらない
ほど、凝縮酸化膜の膜厚を大幅に厚くすることにより、
表面を平坦に形成することができる。本来ならば、下地
段差の影響が伝わらないほど厚く凝縮酸化膜を形成する
と、この膜を形成した後の、膜からの水分脱離に起因し
て、後工程での熱処理で凝縮酸化膜にはクラックが生じ
てしまう。このため、厚い凝縮酸化膜を形成した後、膜
表面に表面硬化層を形成する。この表面硬化層により、
凝縮酸化膜形成後からイオン注入を行うまでの間の、凝
縮酸化膜の水分脱離を抑える。また、その後、表面硬化
層の表面側から凝縮酸化膜に対してイオン（不純物とも
いう。）注入を行うことにより、後工程での熱処理で、
凝縮酸化膜にクラックが生じるのを防ぐことができる。
【００７３】したがって、後工程で、凝縮酸化膜上に上
部配線を形成するときでも、ホトリソグラフィ時のレジ
ストパターンが所望のものよりも細くなったりする心配
がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施の形態の説明に
供する段階的な工程図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、第２の実施の形態で下
側酸化膜を形成したときの、この下側酸化膜の赤外吸収
スペクトル変化を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は、第３の実施の形態の説明に
供する段階的な工程図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、第４の実施の形態の説明に
供する段階的な工程図である。
【符号の説明】
１１：下地（半導体ウエハ） １３：配線 １３ａ：開口部分 １５、２５：第１プラズマ酸化膜 １７、２７：下側酸化膜 １９、２９：凝縮酸化膜 ２１：第２プラズマ酸化膜 ３１：表面硬化層 ３３：不純物添加凝縮酸化膜

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下地表面に形成された段差を有する当該
    下地上に、表面が平坦化された凝縮酸化膜を形成するに
    当たり、 ａ）前記下地上に、前記下地段差に基づく下地表面の急
    激な高低差変化を下側酸化膜の表面の滑らかな高低差変
    化に変えるための当該下側酸化膜を形成する工程と、 ｂ）該下側酸化膜上に前記凝縮酸化膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とする表面平坦化方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜と前記凝縮酸化膜とを同じ材料で形成す
    る場合には、 前記下側酸化膜の成膜温度を前記凝縮酸化膜の成膜温度
    より高い温度とすることを特徴とする表面平坦化方法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜の成膜温度と、前記凝縮酸化膜の成膜温
    度とを同一温度としたことを特徴とする表面平坦化方
    法。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記凝縮酸化膜の形成を、 ＳｉＨ4 （シラン）ガスとＨ2 Ｏ2 （過酸化水素）ガス
    とを熱反応させることにより生じた反応生成物を前記下
    地上に凝縮させて成膜することにより行うことを特徴と
    する表面平坦化方法。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜を前記凝縮酸化膜と同じ材料で形成した
    ことを特徴とする表面平坦化方法。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜の成膜温度を、前記凝縮酸化膜の成膜温
    度よりも高い温度としたことを特徴とする表面平坦化方
    法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜の成膜温度を４０℃程度とし、前記凝縮
    酸化膜の成膜温度を０℃程度としたことを特徴とする表
    面平坦化方法。
  8. 【請求項８】 請求項４に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜を前記凝縮酸化膜と同じ材料で形成し、
    かつ、前記下側酸化膜の成膜温度と、凝縮酸化膜の成膜
    温度とを同一温度としたとき、 前記下側酸化膜の成膜圧力を、該下側酸化膜の表面に前
    記滑らかな高低差ができる程度の値とすることを特徴と
    する表面平坦化方法。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の表面平坦化方法におい
    て、 前記下側酸化膜の成膜圧力を、前記凝縮酸化膜の成膜圧
    力よりも低い値とすることを特徴とする表面平坦化方
    法。
  10. 【請求項１０】 請求項４に記載の表面平坦化方法にお
    いて、 前記下側酸化膜を前記凝縮酸化膜と同じ材料で形成し、
    かつ、下側酸化膜の成膜温度と、凝縮酸化膜の成膜温度
    とを同一温度としたとき、 前記下側酸化膜の形成を、熱反応させるために成膜装置
    に流入するＳｉＨ4 （シラン）ガスおよびＨ2 Ｏ2 （過
    酸化水素）ガスのガス流量を、該下側酸化膜の表面に前
    記滑らかな高低差ができる程度の値として行うことを特
    徴とする表面平坦化方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の表面平坦化方法に
    おいて、 前記ガス流量を、前記凝縮酸化膜を形成するときのガス
    流量よりも低い値とすることを特徴とする表面平坦化方
    法。
  12. 【請求項１２】 請求項４に記載の表面平坦化方法にお
    いて、 前記下側酸化膜をＴＥＯＳ膜としたことを特徴とする表
    面平坦化方法。
  13. 【請求項１３】 下地表面に形成された段差を有する当
    該下地上に、表面が平坦化された凝縮酸化膜を形成する
    に当たり、 ア）前記下地上に、前記凝縮酸化膜を、該凝縮酸化膜に
    対して後工程で熱処理を施しても、当該凝縮酸化膜の表
    面に、前記段差に起因する凹凸が生じない程度の膜厚
    で、形成する工程と、 イ）前記凝縮酸化膜の表面に、当該凝縮酸化膜の前記水
    分脱離を抑えるための表面硬化層を形成する工程と、 ウ）前記表面硬化層の表面側から前記凝縮酸化膜に対し
    てイオン注入を行う工程とを含むことを特徴とする表面
    平坦化方法。
  14. 【請求項１４】 下地表面に形成された段差を有する当
    該下地上に、表面が平坦化された凝縮酸化膜を形成する
    に当たり、 イ）前記下地上に、前記凝縮酸化膜を形成する工程と、 ロ）前記凝縮酸化膜の表面に、当該凝縮酸化膜の前記水
    分脱離を抑えるための表面硬化層を形成する工程と、 ハ）前記表面硬化層の表面側から前記凝縮酸化膜に対し
    てイオン注入を行う工程とを含むことを特徴とする表面
    平坦化方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１３または１４に記載の表面平
    坦化方法において、 前記凝縮酸化膜の形成を、 ＳｉＨ4 （シラン）ガスとＨ2 Ｏ2 （過酸化水素）ガス
    とを熱反応させることにより生じた反応生成物を、前記
    下地の温度を０℃に保持した状態で、当該下地上に凝縮
    させて成膜することにより行うことを特徴とする表面平
    坦化方法。
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