JPS594855B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多層配線を用いた半導体装置の製造方法であり
、特に多層配線により生じる段差を平坦化する技術に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来から半導体集積回路（以後ＩＣと略称する）の機能
素子間の電気的な相互接続をする場合には導電性の薄膜
を用いることが多かつた。

この導電性の薄膜は具体的には半導体基体に設けた絶縁
層上に積層され、絶縁層を選択的に除去して形成した小
孔を通して、露出した半導体基体と接続する。またこの
薄膜は他の層と交差する場合が多く、その他の層は絶縁
性、半絶縁性又は導電性の場合がある。ところでこのよ
うな導電性の薄膜は真空蒸着法で被着し、写真食刻法を
利用して形成されるが、絶縁層の厚さに相当する段差を
前記小孔や他の層との交差部に生じる。場合によつては
極端な段差となり、オーバハングした縁となることもあ
る。このような段差は導電性の薄膜にクラックが５ 発
生する原因となり、ひいては製造歩留り低下の原因とな
る。この種のクラックを防ぐには絶縁層の厚さを変えた
り、或は１段で大きく変えず段数を増やして徐々に高さ
を変えるか、または段差部分を食刻処理して傾斜面とす
る等の方法で段差を１０小さくするよう配慮されて来た
。しかしながらこのような段数増加や傾斜面の形成はど
うしても面積増加となる。

また絶縁層の厚さを変えると必要とする回路特性と相容
れないことが多い。一方シリコンゲート方式を採用した
絶１５縁ゲート形電界効果トランジスタを用いたＩＣは
集積度が向上するので賞用されているが、これは前記導
電性の導膜と絶縁物上に被着したシリコンとを交差する
必要があるので導電性の薄膜のクラック発生は大きな問
題となつている。２０〔発明の目的〕 本発明は上記欠点を除去した半導体装置の新規な製造方
法を提供することを目的とする。

即ち多層配線における導電層間の連結をリフトオフ工程
の採用によつて達成したものである。

２５〔発明の概要〕 層間絶縁層の所望位置だけを除去し、その層間絶縁層に
開孔を設けて導電層を選択的に露出させた後、熱的に溶
融可能な平滑化絶縁層を層間絶縁層の凹部に食刻法を用
いて選択的に形成し、平滑３０化絶縁層を加熱溶融させ
て層間絶縁層を平坦にしてから層間絶縁層の開孔内の平
滑化絶縁層を除去して、開孔の側壁部を蒸着工程におけ
るシャドー部分として利用し、埋込み導電層を開孔に充
填するように形成するものである。

３５この結果層間絶縁層が平坦化されると共に開孔内に
埋込み導電層が形成され、段差が軽減されることになる
ので、多層配線における段切れ、或はクラツク発生を防
止することが可能となる。

〔発明の実施例〕本発明の一実施例を第１図イ〜トによ
つて説明する。

先ず半導体基体１０を加熱してその表面に二酸化珪素の
絶縁層１１を約５０００λ設け、この一部を写真食刻工
程で除去してＴｒのドレイン領域を形成する。

次に第１図イに示すように不純物を導入した多結晶珪素
等で導電層１３を形成し、その上に層間絶縁層１４を約
２５００λ被着するが、これは気相成長による二酸化珪
素や燐珪酸ガラス（以下ＰＳＧと略称する。

）との複合層で形成される。この層間絶縁層１４はドレ
イン領域１２に接続する導電層１３が下層にあるため平
坦には形成できない。このように凹凸を有する層間絶縁
層１４の一部に導電層１３に達する開孔１５を食刻工程
により形成した後、シラン１６．５ｍ′分、鐘素２３５
ｍ１／分、フオスフイン（ＰＨ３）３ｍ１／分、および
ジボラン（Ｂ２Ｈ４）１．３Ｔｎ１／分の混合雰囲気中
で４００℃に６分間保持して硼素が添加された燐珪酸ガ
ラス（以下ＢＰＳＧと略称する。

）を開孔１５を含む層間絶縁層１４上全面に平滑化絶縁
層１６として形成する。これで第１図イの通りの積層断
面が得られる。そして、平滑化絶縁層１６の内、突出部
分１７付近を食刻工程で除去すると第１図口のように層
間絶縁層１４の凹部に平滑化絶縁層１６が残存する形と
なる。

次いで平坦化のために１０５０℃で熱処理すると一部の
突出したＢＰＳＧ層が塑性流動して第１図ハに示すよう
に僅かな凹凸部を有するほマ平坦な面が得られる。この
工程後第１図二に示すように層間絶縁層１４および平滑
化絶縁層１６にマスク１８となるフオトレジストを被着
しその所望位置即ち層間絶縁層１４の開孔１５内の平滑
化絶縁層１６を食刻工程で除去して導電層１３を露出す
る。

次いで埋込み導電層１９を真空蒸着法、またはスパツタ
法でマスク１８上及び開孔１５内に第１図ホに示すよう
に形成する。

真空蒸着法及びスパツタ法等では開孔の角部２０に蒸着
物が堆積し易いのでここにヒロツクが形成された開孔１
５の側壁にはマスク１８の露出部分が残存する結果とな
る。勿論開孔１５の底部には埋込み導電層１９が堆積さ
れて導電層１３と連結される。次いでこのマスク１８を
溶解し且つ導電層１３を溶解しない食刻液によつてマス
ク１８を溶解するとこれに積層された埋込み導電層１９
もリフトオフされる。

この結果第１図へに示したように平坦な面が得られ、次
いで第１図卜に示したように改めて導電層２１を被着す
れば、多層配線に伴う段切れ、クラツク等は何等起す心
配はない。

つぎに絶縁層に適用される制限について以下に説明する
。

平滑化絶縁層１６としては従来より知られているＰＳＧ
層、ＢＰＳＧ層やこれらの複合層が適用可能である。

ところでＰ２Ｏ５を含んだＳｉＯ２層即ちＰＳＧ層とＢ
２Ｏ３を宕んだＳｉＯ２層即ちＢＳＧ層は熱処理工程で
溶解することが知られている。

しかしＰＳＧ層はＰ２Ｏ５の生成量増大に伴つて食刻速
度が増大し弗化アンモンで食刻した際、食刻速度が酸化
珪素の食刻速度に比べて５〜６倍程になるので微細なパ
ターニングが難かしい。一方ＢＳＧは含有されるＢ２Ｏ
，量が増大しないと溶融せず２６ｍ０１％で始めて可能
になる力人このような組成のＢＳＧは現在知られている
溶剤では食刻不能である。

しかし、本発明者はＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３を含有したＢ
ＰＳＧの含有する両不純物が可成り少量であつてもＢＰ
ＳＧは溶融できること、両含有不純物量の増大がガラス
分極率に相関し半導体装置のしきい値電圧Ｖｔｈに影響
があることを見出した。

第２図は横軸にＰ２Ｏ５ｍＯｌ濃度、縦軸に均０３ｍ０
１濃度を採り各濃度における弗化アンモン（ＮＨ４Ｆ）
による食刻速度、溶融温度、およびガラスの分極率との
関係を示した。図中０印を結んだ曲線はＮＨ４Ｆに対す
るＢＰＳＧ層の食刻速度ＶＯと酸化珪素の食刻速度Ｖｉ
との比ＶＯ／Ｖｉが０．５，１．０，２．０になる時の
Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３濃度を示した。

この比ＶＯ／ｉは食刻後の形状に配慮したものである。
第３図には酸化珪素層２とＢＰＳＧ層３とが比ＶＯ／Ｖ
ｉを５，２，１とした時マスク４の存在下でどのように
食刻されるか開孔部５の食刻後断面形状を拡大して示し
てある。

この図より明らかなように比ＶＯ／ｉ＝１．０はパター
ン寸法変化も少なく且つ断面傾斜角度も緩やかで最も望
ましい。しかし実際にはこの食刻速嵐の比ｏ／ｉを１．
０に保持するのは難しく、０．５〜２．０の範囲で制御
することが現実的な製造条件として適当である。次にＢ
ＰＳＧの溶融温度による含有不純物濃度制限についての
べる。

第２図の破線は１０００℃及び１２００物ＣにおけるＢ
ＰＳＧ層の溶融をＳＥＭ観察によつて調査したもので、
Ｐ，Ｏ５及びＢ２Ｏ３濃度の限界を示した。

濃度の下限はＢＰＳＧ層の溶融効果から規定さへ半導体
装置を製造するに当つては１２００℃以下で溶融するこ
とが必要であり第２の条件となる。ガラスの分極と半導
体装置特性の関係について説明する。ＰＳＧを半導体装
置の表面に形成すると外部電界はＰＳＧの分極による影
響を受けて比較的低温（例えば６０℃）で不安定な電気
的特性を示す。Ｔｒではしきい値Ｖｔｈの変動量ΔＶｔ
ｈ−Ｓａｔは次式で与えられることが知られている。

｛Ｅ−Ｈ・ＳｎＯｗａｎｄＢＯＥ３Ｄｅａｌ：ＪＥｌｅ
ｃｔｒＯｃｈｅｍＳＯｃＳＯｃ・１１３（１９６６）２
３６｝こ＼でＫＯ及びＫｇは珪素ガラス及び溶融ＰＳＧ
の誘電率、ＸＯ及びＸｇは珪素ガラス及び溶副ＰＳＧの
膜厚、ｐは印加電圧、Ｘｐはガラスの分極率である。（
１）式から明らかなように分極率が大きい程 ５△Ｖｔ
ｈ−Ｓａｔは大きくなる。この分極率を第４図でみると
Ｐ２Ｏ５のモル濃度の２乗に比例して増大する。第４図
はＢＰＳＧによる分極率を調査したもので横軸にＰ２Ｏ
，濃度、縦軸に分極率を採りＰＳＧに添加するＢ２Ｏ３
濃度をパラメータとして示した図であるが、Ｂ２Ｏ３濃
度増大に伴つて分極Ｘｐは減少する。

この事からＰＳＧＩＣ．Ｂ２Ｏ３を添加したＢＰＳＧで
は分極率の点で優れていることが判つた。一般にＸＯ＝
１．０μ，Ｖｐ＝２０Ｖを設定し、ΔＴｈ−Ｓａｔ・≦
０．５であれば半導体素子の信頼性は一応問題ないと考
えられる。よつて前述のＸＯ，Ｘｇ，Ｖｐを（１）式に
代入すると、Ｘｐ≦０．３・・・（２）となる。

この（２）式を利用してＢＰＳＧ層におけるＰ２Ｏ５及
びＢ，Ｏ３濃度を第２図から求められ、この結果を第２
図に一点鎖線で示した。このように食刻速度、溶融温度
及び分極率の各条件を満足するＢ２Ｏ３，Ｐ２Ｏ５濃度
領域は第２図の斜線部分となり、これはＰ２Ｏ５５ｍＯ
ｌ％〜１６ｍ０１？、Ｂ２Ｏ３２ｍＯｌ％〜２７ｍ０１
％念有したＢＰＳＧ層となる。

依つて本発明に適用する平滑化絶縁層１６としてのＢＰ
ＳＧ層は上記組成に限定される。

−．種廿＝重？：ｒ：十； はＢＰＳＧ層を塑性流動してほマ平坦にすることを意味
しており、この平滑化のための熱処理工程は１２００℃
以下が望ましい。

ＢＰＳＧ層は気相成長法に限らず、溶媒中にガラス層、
ほう素及び燐を共存させ溶媒を揮散してＢＰＳＧを得る
方法、ｋ′＜′ツタリング法、電子ビーム、レーザ光等
を利用してＢＰＳＧを被着する方法も適用可能である。
第５図には酸素とシラン（ＳｉＨ４）の反応で４００℃
珪素基体上に堆積した気相成長酸化珪素の食刻速度、第
６図には第５図と同条件で得たＰＳＧの食刻速度を示し
た。第５図では横軸に平滑化熱処理温度ＴＯＫ及び１／
Ｔを、縦軸に食刻速度（ＡＯ／分）を採り平滑化熱処理
をＮ２中で１０分間行つた結果を示している。食刻速度
は第５図から明らかなように平滑化熱処理温度Ｔの逆数
に比例して大きくなる。

尚第６図にはＰＳＧ層の食刻速度を示したが、横軸には
シランを１６．５ｍ１／分酸素を２３５ｍ１／分キヤリ
ヤガスである窒素を２３１／分に固定し、フオスフイン
流量（ｍｌ／分）の変化を、縦軸には平滑化熱処理をＮ
２中１０５『Ｃ２Ｏ分間実施したＰＳＧの食刻速度を示
した。食刻速度は第６図に示されるように酸化珪素層の
燐濃度に比施して大きくなる。しかしこのＰＳＧを溶融
して平滑化すると熱処理温度としては９００溶Ｃ−１１
００℃が望ましく、この範囲で溶融する燐添加酸化珪素
層の燐濃度は第６図のフオスフイン流量で６〜７ｍ１／
分に相当するので食刻速度は７０００〜９０００八／分
となる。この速度は第５図に示した酸化珪素の１６００
λ／分と比較すると約５〜６倍に相当する。したがつて
本発明方法では絶縁層としてＰＳＧと酸化珪素との組合
せは採用できない。本発明方法では層間絶縁層を平坦化
する工程を行い、この工程完了後に孔あけ工程が必要な
らば実施できるが、この孔あけ工程で層間絶縁層として
気相成長法で形成したＰＳＧ層を採用した場合は、孔あ
け工程を実施する際、ＰＳＧ層の吸水性によつてフオト
レジストとの密着不良を招く問題があるため好ましくな
い。

ちなみにＢＰＳＧ層ではこのようなことはない。〔発明
の効果〕 本発明によれば多層配線における層間絶縁層が平坦化さ
れると共に、導電層間の連結部に段差がなくなるので、
導電層にクラツクを生じることもなく、面積の増加を伴
なわずに回路特性を満足させられる。

また、そのような原因に基づく不良がなくなるので、製
品歩留りの向上をすることができる。更に、平滑化絶縁
層における制限を満たせば、極めて信頼性の高い多層配
線が行なえると共に、寸法精度の高い半導体装置を製造
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の工程毎の変化を示した断面図で
ある。 第２図は縦軸にＢ２Ｏ３濃度、横軸にＰ２Ｏ５ｍＯｌ濃
度を採り、これらと溶融温度、ＢＰＳＧ層と下地絶縁層
の食刻速度比を特定値とした時のＰ２Ｏ５とＢ２Ｏ３ｍ
Ｏｌ濃度の関係、Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５ｍＯｌ濃度と分極
率を示した図、第３図はＢＰＳＧ層と下地絶縁層の食刻
速度比を特定値とした時の食刻後断面図、第４図は横軸
にＰ２Ｏ，ｍＯｌ濃度、縦軸に分極率を採り、Ｂ２Ｏ３
ｍＯｌ濃度をパラメータとした関係図、第５図は横軸に
温度、縦軸に食刻速度を採つて両者の関係を示した図、
第６図は横軸にフオスフイン流量、縦軸に食刻速度を採
つてその関係を示した図である。１０・・・・・・半導
体基体、１１・・・・・・絶縁層、１２・・・・・・ド
レイン領域、１３・・・・・・導電層、１４・・・・・
・層間絶縁層、１５・・・・・・開口、１、６・・・・
・・平滑化絶縁層、１７・・・・・・突出部分、１８・
・・・・・マスク、１９・・・・・・埋込み導電層、２
０・・・・・・開口の角部、″２１・・・・・・導電層
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基体上の層間絶縁層の開孔内に埋込み導電層
   をリフトオフ法により形成するにあたり、この層間絶縁
   層上に熱的に溶融可能な平滑化絶縁層を積層形成した後
   、前記平滑化絶縁層を選択的に食刻除去し、残存させた
   前記平滑化絶縁層を加熱溶融して層間絶縁層を平坦化す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。