JPS5848938A - 半導体装置の絶縁被膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積回路（工ａ）等半導体装置の絶縁被膜の形
成方法に関し、特に多層配線の必要とされる高集株度の
ＩＣの層間絶縁膜あるいは保瞳絶縁膜の改良に関するも
のである。

従来、ＩＣの集積度ビ向上させる為に、不純物をドープ
した低抵抗率のポリ（多結晶〕シリコンあるいは金属等
の導電性材料の相互配線層を多層にすることが広く行わ
れている。−例として、絶縁？−）型ＰＥＴ　’＠含む
工Ｃにおいては、熱酸化膜であるｒ−）酸化物の上に、
導電性ぼりシリコンのデート電極を配置し、それらの上
に層間絶縁膜としてのリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）膜、
相互配線用のアルミニウム層さらに全体を覆う２酸化シ
リコンの保護膜が、この順序で積層される。また、相互
配線層の材料としてアルミニウム以外の導電性材料、た
とえば工２の導電性ポリシリコンが使用される事を多い
６層間絶縁層としてＰＳＧ膜が使用される主な理由は、
２酸化シリコン膜中のナトリウム、カリウム等のアルカ
リイオンあるいは重金属イオンをブラタリング（固定）
することである、そしてＰＳＧ膜の表面が、その下部あ
る構造（たとえば第１のポリシリコン層）の形状に沿っ
て、平滑でなくなり、その上の金瞑配線の段切れを起す
ことを防止する為、ＰＳＧ膜の表面の平滑化処理、たと
えばＰＯＣノ３等を用いてリフａ　（ｒｅｆｌｏｗ）処
理をすることが行われている。しかしながら、このリフ
ロ処理でＰＳＧ膜の角部は滑らかになっても、別の問題
が発生する。即ち、平滑化の効果が大きい高温、たとえ
ば１０００℃前後あるいはそれ以上のリフｃＩｍ度は、
半導体基板中に既に形成されている拡散層あるいはイオ
ン注入層の再拡散を引き起す。これは、微細なドープ領
域を有′ｆる超高集積度のＩＣにおいて著しく不利であ
る。リフロ温廣ン下げると必要なリン濃度は高くなる。

また、リフロ処理によ、す、層間Ｐ線層のリン＃度が高
く々る為、リンの分極が起き、半導体装置に必須のバイ
アス一温度（Ｂ’　−Ｔ　）処理によって、フラットパ
ンｖ雷圧Ｖゆのシフト量が大きくなり、電気的に不安定
になりやすい。更に半導体装置ンデレツシャ・クツカー
中に置いたとき、リン醒としてリンが溶出し、アルミニ
ウム配線馨腐蝕したり、最上層の保護膜にクラックが入
ることもあり、耐湿性の観点からも半導体装置の信頼性
が損わｆｌ、７−Ｉ。

このように、従来の技術ｆよればＰＳＧ膜を使用すると
その表面の角部での傾斜が激しくその上にアルミニウム
配！＠ン設けると段切れの問題が発生し、その角部を滑
らかにすべく処理すると半導体装置の電気的安定性およ
び耐湿性を損−ｈるという問題が存在する。本発明は、
上記の問題ン解決する為になされたものであって、絶縁
膜中のイオンを固定化し、その表面を滑らかにして上層
配りの切断を防止し、半導体基板中の拡散層（注入Ｎ）
の再拡散を防止し、フラットパンｒ電圧のシフトを最小
にし、保論膜のクララクン防止し、耐湯性の優れた半導
体装置を與、造することを目的とするものである、 本発明は、従来セラミックパッケージが要求され高価で
あった工Ｃンフ０ラスチックパッケージに収納できるよ
うＫ【２、その価格苓・充分下げること７も目的とする
。

本発明の特徴のひとつは、半導体基板の上に絶縁物（シ
リコンの熱酸化物、ＰｓＧ膜等）ならび（て導電層（ｒ
−デしたポリシリコン層、アルミニウム等の金属１層）
不・パターン形成した除虫ずる表面の凹凸をなめらかＫ
する為に、四本酸化ケイ素を含むアルコール溶液７ロ転
塗布し、ゆるやかな２酸化ケイ素膜を得、その上配線用
金属膜、あるいは保護Ｎ！縁膜等を強固ｆ形成すること
である。

本発明の他の４？徴は、半導体基板上にパッシベーショ
ン用として形成するｒｓ（）　、膜の中のリン原子濃度
を約６重帝チ以下におさえ、半導体装置の箪勿的安定性
を得ながら、ｐｓａｆｆＪＯ上に四本酸化ケイ素を含む
アルコール溶液を回転塗布し、リン温度減少によるＰＳ
Ｇ膜の好ましくない表面形状をゆるやかにして、半導体
装置の耐湿性を７品めるごとである。

本発明のｌ　Ｋ仙の特徴は、アルミニラ−配線とその士
の保護絶縁層の間に、四水酸化ケイ紫な含むアルコール
溶液の回転塗布によるガラスｋを′彫賊し、銖睡Ｐ、線
層のクラック発生ン防止し、物理的強度（特に角部での
）を強化し、その耐湿性と耐熱性を同上させることであ
る。

まず笛１図に、従来の半導体装置に用いらｙｔでいる多
層構造の断面図ン拡大して示す。半導体装１の中には多
数の不純物領域（図示せず）が、選択拡散あるいはイオ
ン注入により形成されており、その上に熱酸化による２
酸化シリコン膜２，２′が形成さｎる。この２酸化シリ
コン［２，２’の一部は、厚いフィールド酸化膜２′で
あり、他の一部は薄いｙ−ト僚化膜２である。２酸化シ
リコン膜の上には、ポリシリコン層３が、　ＭＯ８ＦＦ
ＩＩＴのテート電極あるいはＸＣの相互配線の第１導を
層（下部配線層）として形成され、導電性が付与され所
定のパターンに形成される。パターン化されたボリシリ
コン履３の」二に、パノ出１絶Ｃ粱層として伽ノ〈リン
ケイ酸ガラス膜（ＰＳＧ膜）４が通常のＣＶＤ法シてよ
り被着される。ｃｖＤ７；によるこのＰＳＧ膜４は、で
きるだけその表面モ・］７汁ｊにする為通常１０１−一
％近いリンの原子η′でユ゛んでいる。し力４し机合に
よって、ぞの」のｒ、温リフロ対理によって平滑化７図
１す、Ｉ”ＳＧ　′！に４のリンｇＳ＃を７〜１０ｉｉ
・係の範囲におさえることガできる。

ＰＳＧ膜４の終・密化（デンシフイケーション）処理の
後、この膜π危定のコンタクト用窓をエツチングで開け
、そのダ、ＰＳＧ　ｇ’４４の平滑化のため１０００℃
近い済度でＰＥＩＧ膜４上にＰＯＣノ３を流してリフ口
か理を施す。前述した様に、この処理により、ＰＳＧ膜
４膜面表面ン濃度か上昇する。その後アルミニウム等の
ｆ２導％層５を蒸尤し、パターン処理する。、電後に半
導体装量のほぼ全面ヶ榎う２酸化シリコンの保詮膜６を
ＣＶＤ法で形成する。

充分なりフロ処理を施した半導体装置の極層構造断面は
、第・１図に示されたものに比べ、ＰＳＧ膜４のエツジ
部は滑らかとなり、その上のアルミニウム配線層５も第
１図よりも均一な厚みｔ有し断切れのおそれはなくなる
。しかしながら、前述したように、リフ口処理の高温度
処理、およびＰＳＧ膜４膜面表面ン濃度の上昇は、半導
体装置の電気的安定性および、耐湿性の劣化を引き起す
。

従来技術によってＰＯＯノ。を用いリフ口処理した結果
を第２図を用いて説明する。

シリコン基板１上に熱酸化膜−２，２”ｋ形成し、その
上に低抵抗率ポリシリコン層３を堆積しパターン化し、
この上にＰＥＧ層４を堆積し、ＰＯＣノ３ン用いてリフ
口処理を行った。リフ口条件は一定に保ち、ＰＳＧ層４
中のリン濃度を変化させてポリシリコン電極３端部上で
の図示の角度＃ン測定し九角度θが零であれば凹凸はな
く、角度θが９０°であれば垂直である。曲線ａが角度
−のリン濃度依存性を示す。リン濃度が増加するほど角
度θが小さくなる。このＰＥＧ層４の上ＫＡノ！極？蒸
着する場合、Ａノ原子は上方から基板１表面にほぼ垂直
に飛来する。ＰＥＧ層４表面が垂直に近づくほど、Ａノ
原子は面に対して斜めに入射し、単位面積当りの入射量
は減少する。基板表面を基準とすると、角度θの面は同
−入射量に対して１／ＣＯ８θの面積を有する。曲線ａ
から計算した１／Ｃ０８θのリン濃度依存性が曲線すで
ある。リン濃度が約８重量％以下になるとリン濃度の減
少に対してｉ　／　００５１θは急激に上昇しているこ
とが判る。曲線すからＰＢＧ層４のリン濃度は少なくと
も約７重量％、通常め８重量％以上に選ばれる理由が容
易に理解されるであろう。

一方、ＰＥＧ保護層４を備えた構造体に対して８５／８
５テストと呼ばれる温度８５℃、湿度８５％での高温高
湿寿命テストを行なった結果、リン濃度が約６重量％以
下の時に非常に優れた結果が得られることが判った。す
なわち耐湿性の点からはリン濃度は約６重量％以下であ
ることが望ましい。ところが第２図曲線すから自明のよ
うにリン濃度を約６重量−以下に選ぶと、従来技術では
その上に段切れなく電極を蒸着することはほとんど不可
能であった。

以下に述べる本発明の実施例によれば、上述のような従
来技術の問題点が解決され、耐湿性に優れた半導体装置
が得られ、リン濃度が約６重量％以下のＰＳＧ層を用い
てもその上に蒸着する金属電極の段切れを防止すること
ができる。

第３図に本発明の実施例による絶縁Ｎおよび導電層の積
層構造の断面図を拡大して示す。まずＰ導電型あるいは
Ｎ導電型を有する半導体基板１１が用意され、選択熱酸
化法により、少くともその一部が基板１１の内部に埋込
まれる厚いフィールド酸化膜１２′が形成される。基板
１１内あるいは表面部分に、半導体装置の能動領域とな
る種々のＰ型あるいはＮ型のＶ−デ領域が、選択拡散ま
たはイオン注入により形成される（図示せず）。約８０
０Ａの薄い２＠化シリコン層１２、例えばＭＯＳＦＥＴ
のデート酸化膜、及びその上の第１の導電層１３例えば
導電性の付与されたポリシリコン材料の？−）電極ある
いは下層配線層、が能動領域土に約４５０ＯＡから５０
０ＯＡの厚みｔもって形成されパターン化される。薄い
２酸化シリコン層１２は、半導体基板１１の熱酸化によ
り、また第１導電層１３は、ポリシリコンのＯＶＤおよ
び不純物材料の「−ピングにより形成される。これらの
構造、即ちフィールド絶縁層１２′、節動領域上の酸化
膜１２と第１導電層１３ｙ！ｌ−おおって、約６．０重
量−のリン原子濃度を有するリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ
　）薄膜１４が、ＣＶＤ法により約１００００Ｘの厚み
？もって被着される。ＣＶＤ薄膜１４は、ポーラスな組
成であるので、これン緻密にする為デンシフイケーショ
ンと呼ばれろ熱処理（約９００〜１０００℃、数１０分
間）ｔこの薄膜１４に対し行う。

次に、四本酸化ケイ素５ＢｏＨ）＋Ｙ金含有るエチルア
ルコール溶液ンスぎンオン法（回転塗布法）でＰＳＧ膜
１膜上４上布する。この溶液の粘度卦よびスピンの回転
速度によって、途布後のシリケートガラス被膜１００表
面形状は調整される。塗布溶液中の５１（ＯＨ）　４の
量は、１５０℃で３時間焼成した後に残留する固形分で
示すと、残留固形分の塗布溶液に対する重量比が約６％
が好ましいものであることがわかった。回転塗布法にお
けるスぎン回転速度は毎分３５００〜５０００回転程度
が適轟である。

シリケートガラス膜１０の形成にあたって、５１（ｏＴ
ｌ）、以外に、四塩化ケイ素５１ｃ１４を含有するエチ
ルアルコール溶液Ｚ使用すると、ガラス膜中に腐蝕性の
ＨＣノが残留し、その膜質を劣化することがわかった。

また、Ｓｉ（ＯＲ）４　（ＲはＯＨ３又はＣ２Ｈ５）を
含有するエチルアルコール溶液ン使用すると、形成され
るガラス膜の厚みが充分でなく、オたその膜質も充分な
ものとは言えなかった。

本発明において、　５ｉ（ＯＨ）、を含有するアルコー
ル溶液？用いる事により、その下の構造により発生した
ＰＳＧ膜１４０段差部をゆるやかな曲線ｔえかいておお
う、良質の５１０２ガラス膜１０ｖ塗布することができ
る。急峻な段差を有する部分のＰＳＧ膜１膜上４上厚く
、また平坦な部分には薄く一ガラス被膜１０が形成され
る。また、ガラ２膜１０は、狭い寸法の凹部には厚く、
広い凹部には薄く塗布される。その結果、ガラス膜１０
０表面は高低差の少い曲面となる。約５００ＯＡの厚さ
のぼりシリコンを用いた例Ｋｈいては、平坦々ＰＥＩＧ
膜１４の上のガラス膜１０は、約１０００Ｘの厚みＹ有
し、エツジ部あるいは凹部の上のガラス膜１０は約４５
００Ａの厚みを有している。

スピンオンによるガラス（ＳｉＯ２）膜１０の形成にあ
たす、５１（ｏＨ）、とエチルアルコールＧτ少量の不
純物、例えばリン、ボロン等を含有させ、ガラス膜１０
の厚みを容易に増加し、しかもその膜質を改良させるこ
とができる。不純物を含まない８１（ＯＥ）、−アルコ
ール溶液の塗布によるガラス膜は、その表面に電子顕微
鏡レベルの微細クラック力発生するときがある。このク
ラックは通常要求される特性には問題はないが、特殊な
条件下での特性劣化？防止する為に、不純物Ｚ含有させ
ることが好ましいことがわかった。不純物の中でも、特
にリンは、アルカリイオンのピックリング効果もあり、
最も好ましいものである。このリンの原子濃度は、最終
的に得られるスピンオンによるガラス膜１０の約２重量
％あるいはそれ以下とすることが好ましい。リンの濃度
が高すぎると、従来のＰＥＧ膜同様の欠点を持つように
１４０このスピンオンガラス膜１０に対する緻密化処理
（デンシフイケーション）の熱処理が約８ｒｌＤ℃以上
１０００℃以下の温度で不活性がス（たとえばＮ２ガス
）の雰囲気中で行わｒる。

薄い絶縁層１２．ＰＥＧ層１４およびスぎンオンガラス
層１０に対し、コンタクト窓の為の開孔（図１示せず）
が形成される。

この様々回転塗布法により形成された５１０２ガラス膜
１０の力めらかな表面上に、第２レベルの導ｌｉ層のア
ルミニウム膜が約８０００−１３００ＯＡの厚みに蒸着
され、パターン形成される。

パターン化されたアルミニウム層１５およびスピンオン
がラス膜１０をおおい、最・上保護層１６がＣＶＤ法あ
るいはプラズマ法により約１００’００Ａ（１μｍ）の
厚み！もって形成される。この保護層１６は、耐湿性に
すぐすした窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４’−）膜が使用さ
れるが、紫外光により記憶消去の必要なリードオンリー
メモリ（ＲＯＭ）等の工Ｏにおいては、２酸化シリコン
（Ｓｉ０２）の膜が使用される。、あろいは、窒化シリ
コンと２酸化シリコンの２重層！使用することもできろ
。

本発明による他の実施例？第４図に示す。Ｐ導電型ある
いはＮ導電型の半導体基板１１が用意され、この中に半
導体１子の節動領域乞構成する種種のＰ型あるいはＮ型
のＶ−プ領域が、選択拡散オたはイオン注入により形成
される（図示せず）。

第３図の例と同様に、４４＋　８００　Ｘの薄い２酸化
シリコン層１２、おＩびその上に第１導電層１３たとえ
ば導電性の付与されたポリシリコンが約４５０ＣＩＸめ
・ら５０Ｄ［］Ａの厚みンもって形成され、パターン化
される。薄い２酸化シリコン層１２け半導体基板１１の
表面を熱酸化することにより、また第１洪ｆ；７／Ｐ’
１３は、ポリシリコンの（ｆｆＤおｊび不紳特材料のド
ーピングにより形成される。

これらの構造、即ち半導体基板１１上の酪化膜１２と、
第１導ｔｆ層１３Ｙおおい、約３．０　重１ｊ俤の・リ
ン原子濃度を有ｆるリンケイ酸ガラス（ＰＥＧ）薄膜１
４が、ＣＶＤ法により約１００００λの厚みをもって被
着され、更に緻密化処理に付される、ＰＥＩＧ膜１４膜
上４アルミニウムの第２導電層１Ｔがパターン形成され
た後、回転塗布法によるガラス層２０が被着形成される
。第３図の実施例と同様に、このガラス膜２０は、５ｉ
（ＯＨ）、と微量のリンンアルコール中に含有する溶液
を、高速回転塗布法により、第２導電層１７およびＰＳ
Ｇ膜１膜上４上成される。このガラス膜１４は、平坦７
）　ＰｓＧ膜上では約１００ＯＡの厚み！有し、アルミ
ニウム層の第２導電層１７端部等のエツジ部分あるいは
凹部上には約４５０ＯＡの厚みｔ有する様に形成されて
いる。

このガラス膜２０の形成により、その上に形成される窒
化シリコン″！！たは２酸化シリコンのパッシベーショ
ン膜１８は、ゆるやかな曲面Ｙもって形成される。この
パッシベーション膜１８Ｖｃは、力学的な応力が集中し
ないので、たとえ薄い膜であっても、耐熱性のすぐれた
均一な膜となる、

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による多層配線層！有する半導体装置
の概略断面図、第２図は従来技術によるりフａ処理を説
明するためのグラフ、第６図は本発明の一実施例を説明
するための半導体装置の概略断面図、第４図は本発明の
他の実施例〉説明するための半導体装置の概略断面図で
ある。 １３・・・下部導電層、１５．１７・・・上部導電層、
１４・・・層間絶縁層、 １６．１８　・・・イ釆春１１／Ｃ １０，２０・・・ゆるやかガ曲面ンもつガラス膜。 代理人浅村　皓 外４名 ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）（ａ）　　半導体基板上に、少くとも一層の絶縁
   層および少くとも一層の導電層！所定のパターンをもっ
   て形成する工程と； （ｂｌ　　上記絶縁層および導を層のパターンの上に、
   四水酸化ケイ素？含有するアルコール溶液ン塗布し、上
   記絶縁層あるいは上記導電層のパターンによって生じた
   段差部をゆるやかな曲面をもつガラス膜で覆う工程と； （ｃ）　　上記ガラス膜上に上部層を形成する工程と；
   を含む半導体装置の絶縁被膜の形成方法。 （２）　（ａｌ　　半導体基板上に約６重量％以下のリ
   ン濃度を有するリンケイ酸ガラス被膜と少なくとも一層
   の導電層を所定のパターンヶもって形成する工程と； （１））　　上記Ｐ線層および導を層のパターンの上に
   、西水酸化ケイ素を含有するアルコール溶液を塗布し、
   上記絶縁層あるいは上記導電層のパターンによって生じ
   た段差部をゆるやかな曲面ンもつガラス膜で覆う工程と
   ； （ｃ）　　上記ガラス膜上に上部層を形成する工程と：
   を含む半導体装置の絶縁被膜の形成方法。