JPWO2002033741A1 - 絶縁膜の成膜方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

層間絶縁膜として用いるシリコン酸化膜やシリケートガラス膜などを高密度プラズマCVD法により成膜する場合に、成膜温度を400℃以上680℃以下、好適には400℃以上600℃以下、より好適には450℃以上550℃以下とすることにより、これらの膜にコンタクトホール形成後の埋め込み材料の埋め込みの前処理のフッ酸処理によるコンタクトホールの広がりを抑制しながら、これらの膜のプラズマダメージを抑制して信頼性の向上を図る。

Description

技術分野
この発明は、絶縁膜の成膜方法および半導体装置の製造方法に関し、特に、高密度プラズマ(High Density Plasma,HDP)−CVDプロセスによって絶縁膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造に適用して好適なものである。
背景技術
近年の半導体デバイスの高品質化に伴いプロセス温度の低温化が要求され、また、DRAMの高集積化に伴いセル面積の低減が要求されている。これらのセル面積の低減およびプロセス温度の低温化に伴い、従来DRAMの層間絶縁膜に適用されてきたホウ素リンシリケートガラス(BPSG)に高温リフローを行って埋め込み、平坦化を行うプロセスの採用が困難な状況になっている。一方、近年、HDP−CVDプロセスと呼ばれる、成膜中にスパッタ成分を寄与させて埋め込み能力を向上させたプラズマCVDプロセスが開発されており、現在主にAl配線の層間絶縁膜として採用が進んでいる。
このHDP−CVDプロセスにより成膜するシリコン酸化膜をDRAMの多結晶シリコン用層間絶縁膜に適用する場合、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホールにプラグ埋め込み材料(通常はリンドープ多結晶シリコン)を埋め込む前にコンタクトホール底部の下地表面の自然酸化膜を除去するために行う前処理時のフッ酸処理によるコンタクトホールの広がりが懸念されるため、できるだけ高温(700℃程度)で成膜することが要求された。これは、高温で成膜した場合の方がフッ酸に対して低いウエットエッチングレートが得られるためである。従来のHDP−CVDプロセスによるシリコン酸化膜の典型的な成膜条件を以下に記す。
トップRFパワー:1300W
サイドRFパワー:3100W
バイアスRFパワー:3500W
SiHガス流量:70sccm
ガス流量:130sccm
Arガス流量:130sccm
圧力:0.67Pa(5mTorr)
DRAMの多結晶シリコン用層間絶縁膜は高さ方向(基板に垂直な方向)で考えた場合、トランジスタに近い箇所の層間絶縁膜であるが、この層間絶縁膜の成膜へのプラズマプロセスの適用はトランジスタのプラズマダメージが懸念される。そこで、キャパシタTEG(Test Element Group)の酸化膜信頼性評価を行ったところ、次に説明するように極めて悪い評価結果が得られた。
従来のノンプラズマプロセスである、オゾン(O)とテトラエチルオキシシラン(テトラエトキシシランとも呼ばれる)(TEOS)とを用いるO−TEOSCVD法により成膜したシリコン酸化膜および従来の成膜条件によるHDP−CVD法によるシリコン酸化膜のQbd評価結果を比較したものを第1図に示す。第1図から明らかなように、700℃で成膜を行う従来の成膜条件によるHDP−CVD法によるシリコン酸化膜のQbd評価結果はO−TEOSCVD法により成膜したシリコン酸化膜に比べて著しく悪く、信頼性が著しく悪いことがわかる。また、この問題は、デバイスの特性上は、特にpチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきをもたらすため、重大な問題である。これらの理由により、従来の成膜条件によるHDP−CVD法はそのままDRAMの多結晶シリコンの層間絶縁膜に適用することができない状況である。
一般的に上記のようなPID(Plasma Induced Damage)はバイアスRFパワーを低減させることで改善できるが、本発明者が行った実験では、HDP−CVDプロセスによるバイアスRFパワーの低減についてPIDの顕著な低減効果は確認されなかった。また、今回のダメージ発生源について、過剰なスパッタ成分によるサンプルへの物理的アタックについても断面SEMなどで観察し、そのような原因ではないことを確認している。
したがって、この発明が解決しようとする課題は、HDP−CVD法によりシリコン酸化膜、より一般的にはシリコンと酸素とを主成分とする絶縁膜を成膜する場合に、その後のプロセスにおいて、この絶縁膜にコンタクトホール形成後の埋め込み材料の埋め込みの前処理時のフッ酸処理によるコンタクトホールの広がりを抑制しながら、絶縁膜のPIDを抑制して信頼性の向上を図ることができる絶縁膜の成膜方法およびそのような絶縁膜の成膜工程を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
一方、HDP−CVD法によりシリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を成膜する場合に、その後のプロセスにおいてこの絶縁膜にコンタクトホール形成後に前処理を行わずに埋め込み材料を埋め込むプロセスもある。このプロセスでは、コンタクトホール形成後の埋め込みの前処理時のフッ酸処理によるコンタクトホールの広がりの問題は存在しないが、このような場合でも、成膜時に膜中に取り込まれる(主として水素と考えられる)に起因するコンタクトホールの側壁からの脱ガスを抑え、この脱ガスに起因する不良が生じないようにする必要がある。
したがって、この発明が解決しようとする他の課題は、HDP−CVD法によりシリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を成膜する場合に、この絶縁膜にコンタクトホール形成後にその側壁からの脱ガスを抑制しながら、その後のプロセスにおいて絶縁膜のPIDを抑制して信頼性の向上を図ることができる絶縁膜の成膜方法およびそのような絶縁膜の成膜工程を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
発明の開示
本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。その概要について説明すると次のとおりである。
すなわち、HDP−CVD法によりシリコン酸化膜を層間絶縁膜として成膜した後、コンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに埋め込み材料を埋め込む場合、望ましい成膜温度は、PIDを抑制することに加えて、フッ酸を用いたウエットエッチングによる前処理の有無によっても異なる。具体的には、前処理を行う場合には、PIDを抑制しながら、前処理によるコンタクトホールの広がりを抑えるためには、成膜温度の上限はPID抑制の観点から680℃、下限はウエットエッチングレートを低く抑えて前処理によるコンタクトホールの広がりを抑える観点から400℃以上とする必要がある。これらの効果をより確実に得るためには、好適には成膜温度は400℃以上600℃以下とし、より好適には500±50℃、すなわち450℃以上550℃以下とするのがよい。
また、前処理を行わない場合には、PIDを抑制するとともに、コンタクトホールの側壁からの脱ガスを抑えるためには、成膜温度の上限はPID抑制の観点から680℃、下限は成膜時に膜中に取り込まれるガスを少なくしてコンタクトホールの側壁からの脱ガスを抑える観点から300℃以上とする必要がある。これらの効果をより確実に得るためには、好適には成膜温度は360℃以上550℃以下とするのがよい。
また、以上のことは、シリコン酸化膜に限られることではなく、シリケートガラス膜についても同様に成立し、より一般的には、シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜全般に成立することである。
この発明は、本発明者による以上の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するようにした絶縁膜の成膜方法において、
絶縁膜の成膜温度を400℃以上680℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明の第2の発明は、
シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するようにした絶縁膜の成膜方法において、
絶縁膜の成膜温度を300℃以上680℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明の第3の発明は、
シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜する工程と、
絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールに対してウエットエッチングによる前処理を行う工程とを有する半導体装置の製造方法において、
絶縁膜の成膜温度を400℃以上680℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明の第4の発明は、
シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜する工程と、
絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
絶縁膜の成膜温度を300℃以上680℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明の第1および第3の発明においては、成膜時に発生する絶縁膜のPIDを抑制しながら、前処理によるコンタクトホールの広がりを抑える効果を十分に得るため、好適には成膜温度は400℃以上600℃以下とし、より好適には450℃以上550℃以下とし、さらに好適には490℃以上510℃以下とするのがよい。
この発明の第2および第4の発明においては、成膜時に発生する絶縁膜のPIDを抑制するとともに、コンタクトホールの側壁からの脱ガスを抑える効果をより確実に得るためには、好適には成膜温度は360℃以上550℃以下とする。
この発明において、シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜は、典型的にはシリコン酸化膜またはシリケートガラス膜であり、シリケートガラス膜は、ノンドープシリケートガラス(NSG)膜、リンシリケートガラス(PSG)膜、フッ素シリケートガラス(FSG)膜、ホウ素シリケートガラス(BSG)膜、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)膜、ヒ素シリケートガラス(AsSG)膜などである。
この発明においては、典型的には、絶縁膜にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに対してウエットエッチングによる前処理を行ってコンタクトホール底部の下地表面の自然酸化膜を除去した後、このコンタクトホールに埋め込み材料を埋め込む。
この発明において、成膜温度の設定は、他に支障がない限り、基本的にはどのような方法により行ってもよいが、典型的には、静電チャックにより基板を吸着し、基板の裏面に冷却したヘリウムガスを吹き付けることにより行うことができる。
高密度プラズマCVDプロセスにおけるプラズマ発生方式としては、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance,ECR)方式、誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma,ICP)方式、ヘリコン波プラズマ方式などがある。ここで、高密度プラズマのプラズマ密度は、通常1×1011〜1×1013/cm程度である。
上述のように構成されたこの発明の第1および第3の発明によれば、絶縁膜の成膜温度が680℃以下であることにより、成膜時にPIDが発生するのを効果的に抑制することができるとともに、絶縁膜の成膜温度が400℃以上であることにより、良好な膜質を得ることができ、ウエットエッチングレートを十分に低く抑えることができる。
上述のように構成されたこの発明の第2および第4の発明によれば、絶縁膜の成膜温度が680℃以下であることにより、成膜時にPIDが発生するのを効果的に抑制することができるとともに、絶縁膜の成膜温度が300℃以上であることにより、成膜時に膜中に取り込まれるガスを十分に少なくすることができ、その後のプロセスにおいて脱ガスを効果的に抑えることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
第2図〜第5図はこの発明の一実施形態によるDRAMの製造方法を示す。このDRAMにおいては、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタの双方を用いるが、第2図〜第5図においてはpチャネルMOSトランジスタ形成部についてのみ図示し、以下の説明もpチャネルMOSトランジスタ形成部についてのみ行う。
この一実施形態においては、第2図に示すように、まず、シリコン基板1に素子分離領域(図示せず)を形成した後、シリコン基板1に例えばイオン注入によりnウエル(図示せず)を形成する。次に、このnウエルの表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜2を成膜する。次に、例えば減圧CVD法により基板全面に多結晶シリコン膜3を成膜し、さらにこの多結晶シリコン膜3に例えばイオン注入により不純物をドーピングして低抵抗化した後、例えばスパッタリング法によりこの多結晶シリコン膜3上に例えばタングステンシリサイド膜4を成膜する。次に、これらのタングステンシリサイド膜4および多結晶シリコン膜3を例えば反応性イオンエッチング(RIE)法によりエッチングして所定形状にパターニングし、ポリサイド構造のゲート電極を形成する。次に、このゲート電極をマスクとしてnウエルにp型不純物であるホウ素(B)をイオン注入することによりゲート電極に対して自己整合的に例えばp型のソース領域5およびドレイン領域6を形成する。これによって、pチャネルMOSトランジスタが形成される。次に、例えばCVD法により基板全面に例えばシリコン窒化膜7を成膜する。
次に、HDP−CVD法により基板全面にシリコン酸化膜8を層間絶縁膜として成膜する。ここで、このHDP−CVDプロセスにおけるプラズマ発生方式としてはICP方式を用いる。このときの成膜条件の例を挙げると下記のとおりである。
成膜温度:400〜680℃
トップRFパワー:1300W
サイドRFパワー:3100W
バイアスRFパワー:3500W
SiHガス流量:70sccm
ガス流量:130sccm
Arガス流量:130sccm
圧力:0.67Pa(5mTorr)
また、この成膜時には、第6図に示すように、HDP−CVD装置の反応室内に設けられた静電チャック51によりシリコン基板1の裏面を吸着してチャッキングする。静電チャック51には互いに直径が異なる二つの円周に沿って多数の通気孔52が設けられている。そして、これらの通気孔52を通してシリコン基板1の裏面に冷却用ヘリウム(He)を当てることにより冷却を行い、成膜温度(基板温度)を400〜680℃の範囲内の所望の温度に設定する。He圧力は、例えば成膜温度を500℃とする場合、内周部の通気孔52に対しては例えば2.7Pa(2Torr)、外周部の通気孔52に対しては例えば6.7Pa(5Torr)とする。なお、通気孔52を内周部と外周部とに分割して設けているのは、基板温度、すなわち成膜温度の面内均一性を確保するためである。
次に、第3図に示すように、例えば化学機械研磨(CMP)法によりシリコン酸化膜8を研磨して平坦化する。
次に、リソグラフィーによりコンタクトホール形成用のレジストパターン(図示せず)をシリコン酸化膜8上に形成した後、このレジストパターンをマスクとしてシリコン酸化膜8およびシリコン窒化膜7を例えばRIE法によりエッチングしてドレイン領域6上にコンタクトホール9を形成する。この後、アッシングを行ってレジストパターンやエッチング残渣を除去する。
次に、フッ酸を用いたウエットエッチングによる前処理を行い、コンタクトホール9の底部のドレイン領域6の表面の自然酸化膜(図示せず)を除去する。
次に、第5図に示すように、例えば減圧CVD法により基板全面に多結晶シリコン膜10を成膜してコンタクトホール9を埋め込んだ後、この多結晶シリコン膜10に例えばリン(P)をイオン注入によりドーピングしてn型化する。
この後、金属配線の形成などの必要な工程を実行して、目的とするDRAMを製造する。
この発明の一実施形態による成膜条件(ただし、成膜温度は400℃)によるHDP−CVD法により成膜したシリコン酸化膜8、O−TEOSCVD法により成膜したシリコン酸化膜および従来の成膜条件によるHDP−CVD法によるシリコン酸化膜のQbd評価結果を比較したものを第7図に示す。ただし、評価には第8図に示すような構造のキャパシタTEGを用いた。このキャパシタTEGではゲート電極の面積がゲート酸化膜の面積に対して1000倍になっている。シリコン基板1に対する冷却用He圧力は、成膜温度が400℃の場合、内周部の通気孔52に対しては例えば5.3Pa(4Torr)、外周部の通気孔52に対しては例えば10.7Pa(8Torr)とした。その他の成膜条件はこの一実施形態によるシリコン酸化膜8の成膜条件と同じである。第7図から明らかなように、400〜680℃で成膜を行うこの発明の一実施形態によるシリコン酸化膜8のQbd評価結果は、700℃で成膜を行う従来の成膜条件によるHDP−CVD法によるシリコン酸化膜に比べて著しく改善しており、O−TEOSCVD法により成膜したシリコン酸化膜と同等の結果が得られた。このことから、シリコン酸化膜8のPIDは従来の成膜条件によるHDP−CVD法によるシリコン酸化膜に比べて顕著に改善されており、信頼性は良好である。また、詳細については省略するが、成膜温度を500℃としてHDP−CVD法により成膜したシリコン酸化膜8についても同等な結果が得られることが確認されている。
以上のように、この一実施形態によれば、層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜8をHDP−CVD法により成膜するときの成膜温度を400〜680℃としていることにより、成膜時にシリコン酸化膜8にPIDが発生するのを効果的に抑制することができ、信頼性が良好なシリコン酸化膜8を得ることができる。そして、このようにPIDが大幅に低減されたシリコン酸化膜8を得ることができることにより、pチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきを大幅に低減することができ、デバイスの特性不良を大幅に低減することができ、DRAMの製造歩留まりの向上を図ることができる。また、シリコン酸化膜8の膜質が良好であることにより、ウエットエッチングレートを十分に低く抑えることができ、このためコンタクトホール9に対するフッ酸による前処理時にコンタクトホール9の広がりを防止することができる。
このように、この一実施形態によれば、HDP−CVD法により成膜するシリコン酸化膜8にコンタクトホール9を形成した後の埋め込みの前処理時のフッ酸処理によるコンタクトホール9の広がりを抑制しながら、シリコン酸化膜8のPIDを抑制して信頼性の向上を図ることができ、pチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきを大幅に低減することができる。
以上、この発明の一実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、原料ガスなどはあくまでも例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造、形状、原料ガスなどを用いてもよい。
また、上述の一実施形態においては、第6図に示すような静電チャックを用いてシリコン基板のチャッキングを行い、シリコン基板の裏面から冷却用Heを当てることにより冷却して成膜温度を所望の温度に設定しているが、成膜温度の設定は他の方法により行ってもよく、さらには、シリコン基板の保持も他の方法により行ってもよい。
さらに、上述の一実施形態においては、シリコン酸化膜8を成膜するときの酸素の原料ガスとしてOを用いているが、酸素の原料ガスとしては例えばNOなどを用いてもよい。
以上説明したように、この発明によれば、シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するときの成膜温度を400℃以上680℃以下にするようにしていることにより、その後のプロセスにおいて、この絶縁膜にコンタクトホール形成後の埋め込み材料の埋め込みの前処理時のフッ酸処理によるコンタクトホールの広がりを抑制しながら、絶縁膜のPIDを抑制して信頼性の向上を図ることができる。
また、この発明によれば、シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するときの成膜温度を300℃以上680℃以下にするようにしていることにより、その後のプロセスにおいてこの絶縁膜にコンタクトホール形成後にその側壁からの脱ガスを抑制しながら、絶縁膜のPIDを抑制して信頼性の向上を図ることができる。
この発明は、MOSデバイスでいえばチャネル長が0.13μm以下程度の微細化が進んだデバイスに適用する場合に特に効果を発揮する。これは、この程度以上に微細化が進んだデバイスにおいて高密度プラズマCVDを行った場合に、PIDがデバイス特性に及ぼす悪影響が問題となってくるからである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の成膜条件によるHDP−CVD法により成膜したシリコン酸化膜のQbd評価結果を示す略線図、第2図〜第5図は、この発明の一実施形態によるDRAMの製造方法を説明するための断面図、第6図は、この発明の一実施形態によるDRAMの製造方法においてHDP−CVD法によりシリコン酸化膜を成膜するときにシリコン基板を静電チャックによりチャッキングする様子を示す平面図、第7図は、この発明の一実施形態による成膜条件によるHDP−CVD法により成膜したシリコン酸化膜のQbd評価結果を示す略線図、第8図は、第7図に示すQbd評価に用いたキャパシタTEGの構造を示す断面図である。
符号の説明
1 シリコン基板
2 ゲート酸化膜
3 多結晶シリコン膜
4 タングステンシリサイド膜
8 シリコン酸化膜

Claims (20)

  1. シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するようにした絶縁膜の成膜方法において、
    上記絶縁膜の成膜温度を400℃以上680℃以下にするようにした
    ことを特徴とする絶縁膜の成膜方法。
  2. 上記絶縁膜の成膜温度を400℃以上600℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲1記載の絶縁膜の成膜方法。
  3. 上記絶縁膜の成膜温度を450℃以上550℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲1記載の絶縁膜の成膜方法。
  4. 上記絶縁膜はシリコン酸化膜である
    ことを特徴とする請求の範囲1記載の絶縁膜の成膜方法。
  5. 上記絶縁膜はシリケートガラス膜である
    ことを特徴とする請求の範囲1記載の絶縁膜の成膜方法。
  6. シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜するようにした絶縁膜の成膜方法において、
    上記絶縁膜の成膜温度を300℃以上680℃以下にするようにした
    ことを特徴とする絶縁膜の成膜方法。
  7. 上記絶縁膜の成膜温度を360℃以上550℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲6記載の絶縁膜の成膜方法。
  8. 上記絶縁膜はシリコン酸化膜である
    ことを特徴とする請求の範囲6記載の絶縁膜の成膜方法。
  9. 上記絶縁膜はシリケートガラス膜である
    ことを特徴とする請求の範囲6記載の絶縁膜の成膜方法。
  10. シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜する工程と、
    上記絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、上記コンタクトホールに対してウエットエッチングによる前処理を行う工程とを有する半導体装置の製造方法において、
    上記絶縁膜の成膜温度を400℃以上680℃以下にするようにした
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 上記絶縁膜の成膜温度を400℃以上600℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲10記載の半導体装置の製造方法。
  12. 上記絶縁膜の成膜温度を450℃以上550℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲10記載の半導体装置の製造方法。
  13. 上記コンタクトホールに対してウエットエッチングによる前処理を行った後、上記コンタクトホールに埋め込み材料を埋め込むようにした
    ことを特徴とする請求の範囲10記載の半導体装置の製造方法。
  14. 上記絶縁膜はシリコン酸化膜である
    ことを特徴とする請求の範囲10記載の半導体装置の製造方法。
  15. 上記絶縁膜はシリケートガラス膜である
    ことを特徴とする請求の範囲10記載の半導体装置の製造方法。
  16. シリコンの酸化物を主成分とする絶縁膜を高密度プラズマCVD法により成膜する工程と、
    上記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
    上記絶縁膜の成膜温度を300℃以上680℃以下にするようにした
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 上記絶縁膜の成膜温度を360℃以上550℃以下にするようにした
    ことを特徴とする請求の範囲16記載の半導体装置の製造方法。
  18. 上記コンタクトホールに埋め込み材料を埋め込むようにした
    ことを特徴とする請求の範囲16記載の半導体装置の製造方法。
  19. 上記絶縁膜はシリコン酸化膜である
    ことを特徴とする請求の範囲16記載の半導体装置の製造方法。
  20. 上記絶縁膜はシリケートガラス膜である
    ことを特徴とする請求の範囲16記載の半導体装置の製造方法。
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