JPS61115329A - 低温流動性ガラスにより被覆した半導体デバイス - 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】 本発明は轟密度半導体回路と共に使用するための低温流
動性絶縁塗料の、新規な、簡易化された、かつ高度に信
頼性のある形成方法に関する。更に詳しくは本発明は酸
化ホウ素をドーピングしたリンケイ酸塩ガラスを包含す
る積層上塗りに関する。

付着膜は近代のＶＳＬ１回路の構成に広く使用されてい
る。これらのうちで電気絶縁膜はシリコン回路主要部と
金属（主としてアルミニウム）中間配線との間の層間誘
電体ならびに多層電導層間の絶縁体を提供する。構成中
においてシリコンデバイスの地形（ｔｏｏｏａｒａｐｈ
ｙ）は通常には急勾配の段階を包含し、その上に誘電体
層が付着される。

絶縁体がシリコン表面に正確に一致する場合は、その後
にその上に金属導体の中間線を満足に付着することがで
きない。傾斜の角度が余りにも大き過ぎ、かつかどが余
りにも鋭い場合にはその後の金属化中に開口が生ずるこ
とがある。開口が生じないとしても、該金属は連続的で
あり得るけれど段階を越えて通過する場所において小さ
な断面積を有する。これによって局部的に増大された電
流密度と、その点における電気移動の欠陥（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｌｉｇｒａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ）の高い確率
がもたらされる。それ故、絶縁体表面は、すべての金属
膜を付着させる前にゆるやかなテーパー化又は段階の平
滑化を示すように改質しなければならない。

多年にわたり、リンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）がこの目
的に使用されて来た。シリコン集積回路の表面に該ガラ
スを付着させた侵、滑らかな緩勾配の段階を生じさせる
ためにガラス表面を高温（１０００〜１１００℃の範囲
）においてフＯ−（ｆｌｏｗ、輪郭線をなだらかにする
こと）する。更に最近においては高密度シリコン回路に
おける小さな幾何学形状（１ミクロン及びミクロン以下
の寸法程度）の回路の出現と共に縦ならびに横の寸法を
含めてすべての回路パラメータが縮少して来た。影響さ
れるプロセスパラメータの中で縮尺化（Ｓｃａｌｉｎｇ
　）により加土瀉度の低下が強制されて、非常に浅い深
さのドーパントの増加が阻止される。

公知ＰＳＧは明らかに、これらの条件下において、より
扱きの材料ではない。

公知ＰＳＧに対し、そのリフＯ−（ｒｅｆｌｏｗ）温度
を低下させるために行う改質は他の問題を生じさせた。

一方においてリン含量を増加させることによりリフロ一
温度を低下させることができた。

しかしながら、リンの量が多くなればなるほど吸湿活性
が増大する結果となり、この増大した吸湿活性により、
恐らくは発生するリン酸の故に、リンがアルミニウムの
線腐食の主要原因となるであろう。リンの増加から生ず
るもう一つの観察された問題はＭＯ８’ｉ置におけるし
きい値電圧の大きな移動によって代表されるような、動
作中における装置の電気的な不安定性であった。したが
って、ＰＳＧフィルムにおけるリン含量を一般的に使用
されている水準に維持し、又はでき得ればそれよりも減
少させることが好ましい。リンを全部除去することはリ
ンの有益なゲッタリング作用の観点から得策でない。

水素化物の同時酸化によりＰＳＧへ酸化ホウ素（Ｂ２０
３）を添加した場合に、融解温度がＰＳＧよりも有意に
低いホウケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）が得られることが
永年にわたり認められていた。集積回路加工における低
温リフローに対するＢＰＳＧの応用が次の論文：Ｗ、ケ
ルン（にｅｒｎ　）及びＧ、Ｌ、シュナブル（５ｃｈｎ
ａｂｌｅ）著、ＲＣＡレビュー（Ｒｅｖｉｅｗ）社発行
＋７）ｒ’７ミカリーペーパーデボジテド　ボロホスホ
シリケート　グラセズ　フォア　シリコン　デバイス　
アプリケイションズ（Ｃｈｅａ＋１ｃａｌｌｙ　Ｖａｐ
ｏｒ−ＤｅｐｏｓｉｔｅｄＢｏｒｏｐｈｏｐｈｏｓｉｌ
ｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓｅｓ　ｆｏｒ　５ｉｌｉｃｏｎ
ｏｅｖｔｃｅ　ＡＤＩ）ＩｉＣａｔｉＯｎＳ　）　Ｊ　
、第４３巻、１９８２年９月号、第４２３〜４５７頁、
及びＣ，ラミラ−（Ｒａｇｉｉｌｌｅｒ）及びし、ヤウ
（Ｙａｕ）著、１９８２年５月２５日、セミコン／ウェ
スト（５ＥＨＩＣＯＮ／１４ＥｓＴ　）のテクニカル　
プログラム　プロシーディンゲス（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　Ｐｒｏｇｒａａ＋Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　）　８２
において発行された「ボロホスホシリケート　グラスフ
ォア　ロウ　テンベルチュア　リフ０−（Ｂｏｒｏｐｈ
ｏｓｐｈｏｓｉｌｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓｆｏｒ　Ｌ
ｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｒｅｆｌｏｗ）　Ｊに
教示されている。ケルンらはホウ素６重量％及びリン３
重量％の平均組成を有するガラスに対しスチーム中にお
ける７００℃のように低い温度におけるＢＰＳＧのリフ
〇−を報告しており、一方においてラミシーらは９２０
℃におけるリフローの実験結果を報告している。

更に最近において、多数のＢＰＳＧ付着系が市販される
ようになって来た。それらはすべて、大気圧系、低圧系
及びプラズマ増強低圧系を包含する成る種の化学蒸着（
ＣＶＤ）法の形態によっている。それらのすべてが酸素
（０□）又は亜酸化窒素（Ｎ２０）のような酸素源、及
び窒素（Ｎ２）のような中性キャリヤーのほかに、通常
にはジボラン（８２Ｈ６）、シラン（Ｓ　、Ｈ４）及び
ホスフィン（ＰＨ３）である有毒気体出発物質を必要と
する。５種類のガスを使用する方法から複雑性が生ずる
ことは明らかである。この場合、各ガスの温度（三つの
加熱炉帯域のそれぞれにおける）、圧力及び流量を調節
しなければならず、必然的に固有信頼性の問題を抱える
非常に高価な方式が生れる。更にジボラン及びホスフィ
ンは酸素に対して競合してＢ２Ｏ３及びＰ２Ｏ３を形成
し、そのため該方法は非常に位置敏感性（ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎＳｅｎＳｉｔｉＶｅ　）である。このことにより煙
管の長さに沿って付着の勾配が生じ、ガス入Ｄｉに近い
シリコンウェーハはホウ素ガラスに富み、ガス出口端に
近いシリコンウェーハはリンガラスに富む。

更に、煙管に沿っての溶着位置を電気的に制御すること
により位置的な溶着依存性（ｐｏｓ＋ｔ＋ｏｎａ＋ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｌ）ＯｎｄＯｎＣＶ　）を軽減
するように開発されたプラズマ増強系においてはプラズ
マパワー、プラズマパルス時間、及びプラズマパルス周
期についての、そのほかの変数もまた制御しなければな
らず、これらの溶着方式に対して実質的により多くのＷ
１雑性がもたらされることが明らかである。

したがって本発明の目的は簡単でかつ安価であり、しか
も付着及び調節に対して高度に信頼性のある、低温流動
性ガラスの新規な製造方法を提供することである。

一つの形態において、これらの目的はまず最初にシリコ
ン集積回路の表面上にＰＳＧの薄膜を付着させ、次いで
金属適用を改良するのに最適な丸い輪郭にフローする複
合ガラスを形成するような態様においてＰＳＧ上にホウ
素ガラス上塗りを付着させることにより達成される。ホ
ウ素ガラスの付着と複合ガラスのフローとは７５０℃の
程度の温度において同時に起こることが示された。この
温度を低下させることができることが予期される。

本発明の、その他の目的、そのほかの特色及び利点は下
記の詳細な説明を図面と共に考慮することにより明らか
となるであろう。

本発明は二つの公知技術を使用し、それらを非慣用的な
方法において組合せて新規かつ改良された結果を達成す
るものである。第一に本発明は半導体集積回路装置上に
おける絶縁性上塗りとしてのＰＳＧ層の慣用的な付着に
よるものである。第二に本発明は、シリコンウェーハが
Ｐ形拡散を受けるように処理されている公知の高蒸気圧
ホウ素ドーピング技術に依存する。この公知の高蒸気圧
溶着技術によって約７５０℃の温度においてホウ素ガラ
スをＰＳＧ上に付着させることにより絶縁表面が滑らか
な輪郭を有して形成されることがわかった。

図面の第１図において、上面にデバイス主要部１２が形
成されている標準シリコン基板を包含する集積回路デバ
イスの一部を示す。包含される大きさの関係を識別する
ことができるように比較のために示せば該デバイス主要
部は約３５００人の厚さである。約５０００への厚さを
有するＰＳＧ（リン４重置％）の絶縁上塗り層１４が基
板及びポリシリコンの両方の上を覆っている。走査電子
顕微鏡によって撮影した第３図の写真においてＰＳＧの
上塗りをｉｏ、ｏｏｏ倍に拡大して示す。

これらの図面において特に注目すべきことはポリシリコ
ン主要部上において鋭いステップ１６及びアンダーカッ
ト１８を示す溶着ＰＳＧの地形（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ
）である。

ＰＳＧ付看付層圧化学蓋１１　（ＬＰＧＶＤ＞法により
慣用の態様において達成することができる。

約０６５トールの低圧を煙管に引き入れる。該煙管内に
はＩＣウェーハが石英製の拡散ボードのような適当な支
持動向に支持されている。次いでホスフィン（リンドー
パント源）、シラン（Ｓ　ｉ　０２源）、０２　（ｌ化
剤）、及びＮ２　（キャリヤーガス）を約４００℃の温
度において煙管を通して流してＰＳＧ上塗り層を形成す
る。付着は非常に低温で生ずるけれどＰＳＧをリフロー
させて滑らかな表面輪郭とするためにコーティングされ
たウェーハを約１０００℃以上に昇温させることが必要
である。

第２図に示すように約９０ＯＡの厚さの薄いホウ素ガラ
ス膜２０をＰＳＧ上に溶着させる。この溶着工程は下記
に詳しく述べるようにシリコンのホウ素ドーピングに対
する周知の手順にしたがって行う。以前のＰＳＧ表面を
想像線（＋）ｈａｎｔｏＩｌｉｎｅ）において示す。こ
の取り決めによりＰＳＧとホウ素ガラスとの間の界面が
不明瞭であること、及び複合ガラスが２種のガラス膜間
に形成されることが示される。第２図と第４図の写真と
において明らかに認めることができるようにＰＳＧの鋭
い上部かと１６及びアンダーカット１８は、この付着工
程中にフローし、かつホウ素ガラス１ｌＩ２０１の上面
は涜らかな輪郭となる。本改良方法においてはフローが
ホウ素ガラス溶着工程と同時に生ずること、及びその模
のリフロー及びアニーリング工程が不要であることに注
目すべきである。

フロー（ｆｌｏｐ）の機構は十分にはわかっていないけ
れどホウ素源がＰＳＧと混合してリフロ一温度を低下さ
せるということを信ずべき適切な若干の理由が存在する
。第一にＰＳＧは基本的に非常に多孔性の材料であるの
で強化された酸化ホウ素の拡散が予想される。第二にホ
ウ素の拡散はＮ２の存在下において有意に強化されると
いうことが知られている。第三に拡散種はＢ２Ｏ３の拡
散率よりも非常に大きな拡散率を有する。

＾蒸気圧ホウ素ガラス付着工程は実質的に、ソリッド　
ステート　テクノロジー（Ｓｏｌｉｄ　５ｔａｔｅＴｅ
ｃｈｎｏｌｏｏｙ）第２３巻、第７号、１９８０年７月
発行、第６９〜７３頁に示されるＮ、　）−１，ジトリ
ツ／ｙ　（Ｄｉｔｒｉｃｋ　）及びＭ、Ｓ、バエ（Ｂａ
ｅ）著の″アン　インブローブト　ボロン　ナイトライ
ドグラス　トランスファー　プロセス（八〇Ｉｍｐｒｏ
ｖｅｄ　Ｂｏｒｏｎ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ　Ｇｌａｓｓ　Ｔ
ｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｃｅｓｓ　）と題する論文に記載
されているような技術を使用する。該方法においては固
体窒化ホウ素をシリコンへのｐ形拡散用ホウ素源として
供給する。ウェーハを酸素中、約９５０℃において酸化
して該ウェーハの表面上に酸化ホウ素ガラスを形成させ
ることにより活性化する。炉雰囲気内の窒素と酸素との
混合物中に水素を導入し、水蒸気を得て、窒化ホウ素ウ
ェーハの表面上の若干の酸化ホウ素をホウ酸に変換させ
るａｌｌ化ホウ素の高蒸気圧によりホウ素ガラス層が隣
接かつ直面するシリコンウェーハ上に運ばれる。次いで
ホウ素ガラスを化学的に除去し、シリコンウェーハの高
温アニーリングにより拡散をより深くし、かつ拡散の表
面濃度を減少させる。

本発明においては予備調整した固体窒化ホウ素ウェーハ
がＰＳＧのドーピング用のホウ素ガラスを供給して複合
ガラスを形成する。該予備調整工程において窒化ホウ素
ウェーハの表面上に酸化ホウ素（Ｂ２０３）ガラス塗膜
が形成される。第５図において本方法を行うための典型
的な装置を説明する。類２４内に配置される慣用の石英
煙管２２は主体部分２６と操作を容易にするためのハン
ドル３０を備えた取外し可能な末端キャップ２８とを包
含する。煙管の一方の末端における開口３２により反応
性ガスが導入（矢印Ａによって示される方向への移動）
され、また末端キャップにおける開口３４によりガスが
排出される。適当な配管接続（図示省略）により該開口
と供給源及び排出源ならびにそれらに対して必要な調節
弁とを連絡する。末端キャップ２８を取り外すことによ
り、特別に溝をつけた石英拡散ボート３６を該煙管に導
入することができる。該拡散ボートは１対のシリコン集
積回路ウェーハ３８を受は入れており、各ウェーハは上
述したようにＰＳＧ上塗りを有し、垂直位置において背
中合せに置かれ、それらのＰＳＧ上塗りを有する表面が
１対の窒化ホウ素（ＢＮ）ウェーハ４０に面するように
なっている。ブレナ拡散源（ＰＤＳ）ＢＮ−９７５とし
てカーボランダム（Ｃａｒｂｏｒｕｎｄｕｍ　）社から
市販されているもののような典型的なりＮウェーハを使
用することもできる。

この新規な製造概念を立証するために行った実験におい
ては下記の条件が存在した。第６図に網状線模様で示す
ように酸化ホウ素（Ｂ２０３）コーティング４２を担持
する窒化ホウ素ウェーハを装入した後、煙管温度を４０
６．８℃に上げ、中性の窒素（Ｎ２）ガス雰囲気を毎分
２．０１（Ａｌｌ）の流量で導入した。次いで、煙管温
度を７５）℃に上げ、Ｎ２の同一流量を続けながらその
温度に４５分間安定させた。次いでＢＮウェーハを状！
Ｉ！調節するために予備付着工程を行った。

この工程は同一温度を１５分間保ち、この間にＮ２の流
量を１．０ｉｏ−に減少させ、かつ酸素（０２）を１．
　ＯＪ！Ｅｌ−の流量において添加することより成るも
のであった。この工程により、水素（Ｈ）の導入に先立
っての０□の流れを安定させた。次いでＮ　及び０２を
それぞれ１．Ｏｊ！１）ＩＩにおいて導入し続けながら
約８５％のＮ２と約１５％の水素の活性成分との混合物
である「フォーミング　ガス（ｆｏｒｌｉｎｏ　！１ｌ
ａｓ　）　Ｊを約０．５）ｐ−の流量で添加することに
より、同一温度において約３分間にわたり付着工程を行
った。この工程によりＢＮウェーハ上の若干の８０　　
がホウ酸（ＨＢＯ）に変化する。ＨＢＯ２の蒸気圧はＢ
２Ｏ３の蒸気圧よりも数等級大きいので、比較的に低い
温度において速かに移ａｌｌ（第６図の矢印４４により
示すように）して、ホウ素ガラスとしてＰＳＧ上に付着
する。次いで同−一度において６０分間にわたり、再び
Ｎ、２雰、囲気中で２．０ｊＤ−の流量において安定工
程を行った。最後に、同−流量におけるＮ２雰囲気中で
温度を４０６．８℃に徐々に低下させ、ウェーハを１５
分で取り出した。

予備調整工程を省略することができたということ、及び
窒化ホウ素ウェーハの表面の８０　　への転１ｔｌ、を
ガラスの溶着前の操作ｉに行うことができたということ
が考えられる。、そのようにすることにより、製造中に
窒化ホウ氷ウェーハがそのＢ２Ｏ３コーティング４２を
消−耗させることがないということが保証される。

溶着したホウ素ガラスはＰＳＧと反応して複合ガラスを
形成するが、該複合ガラスの正確な組成はこの時点にお
いて決定されていない。該組成は表面からの深さと共に
連続的に組成が変化すると思われる。該組成は表面にお
いてホウ素に富み、かつ恐らくはリンを含有していない
と思われる。

その後に、最初にリンよりもホウ素に富み、次いでホウ
−よりもリンに富む勾配が存在するものと思われる。最
後に、絶縁体は全部がＰＳＧであることができる。ＨＢ
Ｏ２が８Ｎウエー八から運搬されるので該複合ガラスは
多分若干の水素を恐らくは水酸化物（ＯＨ）の形態で含
有するであろう。

この非常に簡単な方法は、より一層複雑な公知のＢＰＳ
Ｇ法よりも、より少い変数を有することが明らかである
。その上、本方法は新規な結果を達成するためであるに
も拘らず２種の十分に確立された先行技術方法を、使用
するものであるので高度に信頼性を有する。更にホウ素
ドーピングしたＰＳＧ複合ガラスを同時に溶着及び表面
フロー（ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｌｏｗ）することにより、
これら２工程間におけるウェーハのいかなる種類の処理
に対する必要性ｂ４￥くなるのでつ１−ハの汚染及び破
擢の機会が減少する。結局、そして恐らくは最も重要ら
、こと（ま、本発明の改良方法は１ミクロン及びミクロ
ン以下の範［７！１の主要部寸法を右する＾密度電子回
路！、：適自η−る温度を有するということである。ま
た特に重要であるの１まホウ素ガラスのフローが７５０
℃の低温において生ずることのほかに、該方法に包含さ
れる甲−王程礪構である。、甲−操作においてホウ素ガ
ラスが溶着し、ホウ素ガラスがＦＩ　Ｓ　Ｇ中に拡散し
、かつ複合ガラスがフローしてなだらかζｊ輸郭を形成
するのである。本方法の一度を、実験的に示される７５
０℃よりも低下させることができるということの見通し
が十分に存在］−る。

本川１　占のＩＡ１示は四どしてのみ行ったものであり
、持訂諸求の範囲に記軟しだ木ｆ？、明の旧旨及び範囲
から逸脱寸ろことなくプロセスパラメータの種々の変更
を４−ろことができるということを叩解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はリンフ１イ醇塩ガラスの上塗りを担持する半導
体基板の断面図である。 第２図は第１図の半導体基板の断面図であり、フローし
た酸化ホウ素によりドーピングされたり第５図は本発明
を実施するための典型的な装置の概略図である。 第６図は第５図と同様な図Ｔ″ｄうり、進（ｊ中の本発
明方法を示す。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）リンケイ酸塩ガラスの第一層を半導体デバイス上
   に付着させ、この場合前記リンケイ酸塩ガラス表面がデ
   バイスの階段状輪郭に実質的に一致する工程、及び ホウ素ガラスの第二層を前記第一層上に付着させて、な
   だらかに輪郭線を示す表面を有する複合ガラスを成形す
   る工程、 を包含することを特徴とする半導体デバイスを流動性ガ
   ラスによりコーティングする方法。
2. （２）第二層を付着する工程が同時に複合ガラスの表面
   輪郭をフローすることを包含する特許請求の範囲第（１
   ）項記載の方法。
3. （３）第二層を付着する工程がリンケイ酸塩ガラスの一
   部のリフロー温度を低下させることを包含する特許請求
   の範囲第（２）項記載の方法。
4. （４）第二層を付着する工程を窒化ホウ素ウェーハの一
   部をホウ素ガラスに転化させることによつて遂行する特
   許請求の範囲第（１）項又は第（３）項記載の方法。
5. （５）転化させる工程が、まず窒化ホウ素ウェーハの一
   部と酸素とを反応させて酸化ホウ素を生成させ、次いで
   前記酸化ホウ素と水素とを反応させて、ホウ素ガラスを
   リンケイ酸塩ガラスの表面に運搬するためのホウ酸を形
   成させる特許請求の範囲第（４）項記載の方法。
6. （６）第二層を付着する工程を約７５０℃の温度におい
   て行うことのできる特許請求の範囲第（１）項記載の方
   法。
7. （７）第二層を付着する工程が： 第一層を担持する半導体ウェーハを、上面に酸化ホウ素
   の被覆を担持する窒化ホウ素ウェーハと向い合せ関係に
   おいて煙管中に保持し、 前記煙管の温度を約７５０℃に上げ、 前記煙管に酸素を流し、 前記煙管に水素を流し、そして 若干の酸化ホウ素と水素及び酸素とを、ホウ素ガラスを
   第一層表面上に運搬するためのホウ酸に変化させる、 ことより成る特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
8. （８）第二層を付着する工程が： 第一層を担持する半導体ウェーハを、窒化ホウ素ウェー
   ハと向い合せ関係において煙管中に保持し、 前記煙管の温度を約７５０℃に上げ、 前記煙管中に酸素を流入させて、窒化ホウ素ウェーハの
   表面上に酸化ホウ素の被覆を形成させ、前記煙管中に水
   素を流入させ、 若干の酸化ホウ素と水素及び酸素とを、ホウ素ガラスを
   前記第一層の表面に運搬するためのホウ酸に変化させる
   、 ことより成る特許請求の範囲第（１）項記載の方法。