JP4582452B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板(ウエハ)の上に絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法に関する。更に詳しくは、上記絶縁膜中に生ずるボイド(気泡)や絶縁膜の埋め込みが不十分であるために生ずる開気孔を完全に消滅させることができる半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having an insulating film on a semiconductor substrate (wafer). More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device that can completely eliminate voids (bubbles) generated in the insulating film and open pores generated due to insufficient embedding of the insulating film.
例えば、半導体装置の製造工程においてMOSFETのゲート電極が半導体基板の上に突出して形成されることによりそれらに隣接するゲート電極間に凹部ができゲート電極とそれらのゲート電極間とによって凹凸・段差(トレンチ)ができる。この段差が大きくなると、露光により配線パターンを描画する際の焦点ずれが生じたり、配線を交差して形成する場合に交差部のラップ部分が薄くなり断線の原因となったりするなど、半導体装置の欠陥につながるような問題が発生する。このため、このような段差を解消する方法として、段差に化学的気相成長法(CVD)によりBPSG膜やPSG膜等の層間絶縁膜を成膜した上で、この層間絶縁膜の表面を何らかの方法で平坦化することが行われる。 For example, in the manufacturing process of a semiconductor device, a gate electrode of a MOSFET is formed so as to protrude on a semiconductor substrate, thereby forming a recess between adjacent gate electrodes. Trench). When this level difference becomes large, defocusing occurs when drawing a wiring pattern due to exposure, or when the wiring is crossed, the lap part of the crossing portion becomes thin and causes disconnection. Problems that lead to defects occur. Therefore, as a method of eliminating such a step, an interlayer insulating film such as a BPSG film or a PSG film is formed on the step by chemical vapor deposition (CVD), and the surface of the interlayer insulating film is Planarization is performed by a method.
ところで、近年、半導体装置の高集積化、大容量化に伴う微細化、高密度化が進むにつれ構造のアスペクト比(構造物の横方向寸法に対する深さ方向寸法の比)が高くなり、製作工程において構造の段差が大きくなる傾向にある。そのため、上述した層間絶縁膜の成膜に際して、絶縁膜中にボイド(気泡)が発生する確率が高くなってきており、また、トレンチへの絶縁膜の成膜の不均一や成膜量不足(成膜不良)により絶縁膜に開気孔が生ずる場合もある。図10は、従来の半導体装置の製造過程における半導体装置の断面形状を示すものであり、図10(a)は半導体基板50上の素子により形成された凹凸51の上に成膜された層間絶縁膜52中にボイド53を生じた場合を示し、図10(b)は層間絶縁膜52に開気孔54を生じた場合を示している。なお、図10において、符号55はバリアー層である。
By the way, in recent years, the aspect ratio of the structure (ratio of the dimension in the depth direction to the lateral dimension of the structure) increases as the integration of semiconductor devices increases in size and density along with the increase in capacity. There is a tendency that the level difference of the structure becomes large. For this reason, when the above-described interlayer insulating film is formed, there is a high probability that voids (bubbles) are generated in the insulating film, and the insulating film is not uniformly formed in the trench or the amount of film formation is insufficient ( In some cases, open pores may be generated in the insulating film due to film formation failure. FIG. 10 shows a cross-sectional shape of a semiconductor device in the process of manufacturing a conventional semiconductor device. FIG. 10A shows an interlayer insulation film formed on
従来、層間絶縁膜を成膜した半導体基板を、常圧(0.1MPa)の不活性ガス雰囲気中で900℃の温度で熱処理するか、又は、常圧の酸素又は水蒸気雰囲気中で900℃より若干低い温度で熱処理することにより、絶縁膜を流動化(リフロー)させることにより平坦化が行われており、このリフロー処理により絶縁膜中に生じたボイドや開気孔も消滅させていた。これに関連する先行技術として、下記特許文献1及び2が開示されている。
Conventionally, a semiconductor substrate on which an interlayer insulating film is formed is heat-treated at 900 ° C. in an inert gas atmosphere at normal pressure (0.1 MPa), or from 900 ° C. in an oxygen or water vapor atmosphere at normal pressure. By performing heat treatment at a slightly low temperature, the insulating film is planarized by fluidizing (reflowing), and voids and open pores generated in the insulating film by this reflowing process have also disappeared. The following
特許文献1の「半導体装置の絶縁膜の平坦化方法」は、半導体装置のBPSG膜を比較的低温,短時間で効果的にリフローすることを目的とし、半導体装置の基板上の凹凸面上に形成された絶縁膜を熱フローにより平坦化する方法において、熱フローを酸素又は、水蒸気を含む雰囲気中において3atm以上の圧力下で行うものである。そして、この方法により、絶縁膜に拡散する酸素量及びその拡散速度が増大し、従来に比し低温でかつ短時間でBPSG膜の良好なリフローを実現している。
特許文献2の「半導体装置の製造方法」は、低温処理により十分な平坦性を得ることを目的とし、半導体基板上の素子を形成し、この素子上にシリコン窒化膜を形成し、この上にホウ素とリンを含むBPSG膜を形成し、更にその上に塗布法によりホウ素もしくはリンの少なくとも一方を含むSOG膜を形成する。その上で、基板を水蒸気を含む高圧雰囲気中で熱処理を行う。これにより、SOG膜をゲル状化し、外部からの高圧により膜自身に圧力が加えられて平坦化される。
The “method for manufacturing a semiconductor device” in
上述した特許文献1の「半導体装置の絶縁膜の平坦化方法」では、従来のリフロー処理温度より低い800℃で熱処理を行うことができ、特許文献2の「半導体装置の製造方法」では、リフロー処理温度を700℃以下にすることができる。また、リフロー処理による絶縁膜の流動化により、絶縁膜中に生じたボイドや開気孔を消滅させることが期待できる。しかしながら、特許文献1、2のような700℃〜800℃の熱処理温度は、微細化レベルの素子特性では悪影響を与える温度であるため、半導体装置の一層の集積化にあたっては熱処理によるダメージ低減のためにさらなる処理温度の低温化が望まれている。また、高い流動性が得られる高温度の処理においてもボイドの発生位置や大きさによりボイドが完全に消滅せずに残留してしまう場合があり、これはデバイスの欠陥原因となり得る。特にボイドの大きさが微小化するに従い、流動時の浮力による効果が低下するため、ボイドが残留する可能性は益々高くなる。また、絶縁膜に開気孔が発生した場合、リフロー処理時には絶縁膜の表面張力により開気孔表面が平坦化されるものの、開気孔が閉じて凹凸(溝)が埋め込まれることはなかった。
In the above-described “planarization method of an insulating film of a semiconductor device” in
本発明は上述した問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、従来よりも低い熱処理温度で、かつ、完全に層間絶縁膜のボイドを消滅させることができ、さらに、層間絶縁膜に生じた開気孔を埋め込むことができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, an object of the present invention is to manufacture a semiconductor device capable of completely eliminating voids in an interlayer insulating film at a lower heat treatment temperature than that of the prior art and further embedding open pores generated in the interlayer insulating film. It is to provide a method.
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、該素子への水分の浸入を防止する酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、
この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張し得る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
この膨張層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより流動化し得る絶縁膜を凹凸が埋め込まれるように成膜する第3成膜工程と、
酸化防止層、膨張層及び絶縁膜が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、絶縁膜を流動化させるとともに膨張層を酸化させて膨張させることにより、絶縁膜中に生じた気泡を消滅させる膨張工程とを含み、
前記膨張層は、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる、ことを特徴としている(請求項1)。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a first method in which an anti-oxidation layer that prevents moisture from entering a device is formed on the unevenness formed by the device on the semiconductor substrate. A film forming process;
A second film forming step of forming an expansion layer on the antioxidant layer, which can be oxidized and expanded by heat treatment in an oxidizing atmosphere;
A third film-forming step of forming an insulating film that can be fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere on the expansion layer so that the unevenness is embedded ;
Bubbles generated in the insulating film by heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer, the expanding layer and the insulating film are formed in an oxidizing atmosphere to fluidize the insulating film and oxidize and expand the expanding layer and a expansion step to eliminate the,
The expansion layer is made of amorphous silicon or silicide (claim 1).
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、該素子への水分の浸入を防止する酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、
この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張し得る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
この膨張層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより流動化し得る絶縁膜を凹凸が埋め込まれるように成膜する第3成膜工程と、
酸化防止層、膨張層及び絶縁膜が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、絶縁膜を流動化させるとともに膨張層を酸化させて膨張させることにより、絶縁膜中に生じた気泡を消滅させる膨張工程とを含み、
前記膨張層は、アルミニウムもしくはタンタル又はこれらの合金からなる、ことを特徴としている(請求項2)。
Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a first film forming step of forming an antioxidant layer for preventing moisture from entering the element on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate;
A second film forming step of forming an expansion layer on the antioxidant layer, which can be oxidized and expanded by heat treatment in an oxidizing atmosphere;
A third film-forming step of forming an insulating film that can be fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere on the expansion layer so that the unevenness is embedded ;
Bubbles generated in the insulating film by heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer, the expanding layer and the insulating film are formed in an oxidizing atmosphere to fluidize the insulating film and oxidize and expand the expanding layer and a expansion step to eliminate the,
The expansion layer is made of aluminum, tantalum, or an alloy thereof (Claim 2 ).
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記絶縁膜は、リン、ヒ素、ボロン、フッ素及びハロゲン化物のうち少なくとも一種類を含有するシリコン酸化膜である(請求項3)。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, preferably, the insulating film is a silicon oxide film containing phosphorus, arsenic, boron, at least one kind of fluorine and halide (claim 3).
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、該素子への水分の浸入を防止する酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張、流動化し得るとともに絶縁性をもつ膨張流動層を凹凸が埋め込まれるように成膜する第2成膜工程と、酸化防止層及び膨張流動層が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張流動層を酸化させて膨張させるとともに流動化させることにより、膨張流動層中に生じた気泡又は膨張流動層に生じた開気孔を消滅させる膨張工程とを含む、ことを特徴としている(請求項4)。 Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a first film forming step of forming an antioxidant layer for preventing moisture from entering the element on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate; A second film-forming step of forming an insulating fluidized layer on the anti-oxidation layer by heat treatment in an oxidizing atmosphere so as to oxidize, expand, and fluidize, and to have an unevenness embedded therein ; The semiconductor substrate on which the prevention layer and the expanded fluidized layer are formed is heat-treated in an oxidizing atmosphere, and the expanded fluidized bed is oxidized and expanded and fluidized to generate bubbles or an expanded fluidized bed in the expanded fluidized bed. And an expansion step of eliminating the open pores generated in the step (Claim 4 ).
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記膨張流動層は、ボロン、リン及びフッ素のうち少なくとも一種類を含有するポリシリコン又はアモルファスシリコンからなる(請求項5)。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, preferably, the expanded fluidized bed, boron, made of polysilicon or amorphous silicon containing at least one kind of phosphorus and fluorine (claim 5).
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、該素子への水分の浸入を防止する酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、
この酸化防止層が成膜された凹凸の表面に、該凹凸が埋め込まれないように、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張すると共に絶縁性をもつに至る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
酸化防止層及び膨張層が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張層を酸化させて膨張させる膨張工程と、を含み、
前記第2成膜工程において、前記膨張工程における膨張層の膨張によって前記凹凸が埋め込まれる程度の厚さの膨張層を成膜し、
前記膨張層は、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる、ことを特徴としている(請求項6)。
Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a first film forming step of forming an antioxidant layer for preventing moisture from entering the element on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate;
In order to prevent the unevenness from being embedded in the surface of the unevenness on which the antioxidant layer is formed, a thermal expansion process is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize and expand and to form an expanded layer that has insulation properties. 2 film forming steps;
An expansion step of heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer and the expansion layer are formed in an oxidizing atmosphere to oxidize and expand the expansion layer, and
In the second film formation step, forming an expansion layer having a thickness to the extent that the irregularities are embedded by expansion of the expansion layer in the expansion step ,
The expansion layer is made of amorphous silicon or silicide (Claim 6 ).
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記酸化防止層はシリコン窒化膜からなる(請求項7)。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the invention, preferably, the antioxidant layer is formed of a silicon nitride film (claim 7).
また、上記本発明の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記膨張工程における酸化雰囲気の圧力は大気圧以上であり、かつ、熱処理温度は400℃乃至800℃である(請求項8)。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, preferably, the pressure of the oxidizing atmosphere in the expansion step is equal to or higher than atmospheric pressure, and the heat treatment temperature is 400 ° C. to 800 ° C. (Claim 8 ).
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に酸化防止層を形成し、その上に膨張層を形成し、その上に絶縁膜を形成し、そしてこれらが形成された半導体基板を高圧酸化雰囲気で熱処理し、絶縁膜を流動化させるとともに膨張層を酸化、膨張させることにより、絶縁膜の流動化を助勢し、これにより絶縁膜中に生じたボイド(気泡)を完全に消滅させることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, an antioxidant layer is formed on the unevenness formed by the elements on the semiconductor substrate, an expansion layer is formed thereon, an insulating film is formed thereon, Then, the semiconductor substrate on which these are formed is heat-treated in a high-pressure oxidizing atmosphere to fluidize the insulating film and oxidize and expand the expansion layer, thereby assisting fluidization of the insulating film, and thereby generated in the insulating film. Voids (bubbles) can be completely eliminated.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に酸化防止層を形成し、その上に膨張流動層を形成し、そしてこれらが形成された半導体基板を高圧酸化雰囲気で熱処理し、膨張流動層を膨張させるとともに流動化させることにより、膨張流動層中に発生したボイド(気泡)を完全に消滅させることができる。また、膨張流動層の埋め込みが不十分であるために開気孔が生じた場合でも、膨張および流動化の効果により開気孔の埋め込みが行われるため、開気孔を消滅させることができる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the antioxidant layer is formed on the unevenness formed by the elements on the semiconductor substrate, the expanded fluidized layer is formed thereon, and these are formed. By heat-treating the semiconductor substrate in a high-pressure oxidizing atmosphere to expand and fluidize the expanded fluidized bed, voids (bubbles) generated in the expanded fluidized bed can be completely eliminated. Further, even when open pores are generated due to insufficient embedding of the expanded fluidized bed, the open pores can be eliminated because the open pores are embedded due to the effects of expansion and fluidization.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、酸化防止層を形成し、その凹凸の表面に膨張層を形成し、そしてこれらが形成された半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張層を酸化させて膨張させ、その際に、第2成膜工程において、膨張工程における膨張層の膨張によって凹凸が埋め込まれる程度の厚さの膨張層を成膜するので、膨張行程を実施したときに膨張層が酸化膨張し、これにより凹凸が埋め込まれる。かかる方法では、凹凸が埋め込まれないように、凹凸の表面に膨張層を形成するので、従来技術のように、凹凸の埋め込み時にボイドや開気孔を生じることがそもそも無い。そして、膨張工程において膨張層が膨張すると、凹凸内で対向する膨張層同士が自身の幅方向の膨張により互いに接触し、この結果、凹凸が埋め込まれるのである。もちろん、凹凸が埋め込まれた後の膨張層には、ボイドや開気孔は存在しない。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, an antioxidant layer is formed on the unevenness formed by the elements on the semiconductor substrate, and an expansion layer is formed on the uneven surface, and these are formed. The formed semiconductor substrate is heat-treated in an oxidizing atmosphere to oxidize and expand the expansion layer. At that time, in the second film formation step, the expansion is so thick that the unevenness is buried by the expansion of the expansion layer in the expansion step. Since the layer is formed, when the expansion process is performed, the expansion layer oxidizes and expands, thereby filling the unevenness. In such a method, an expansion layer is formed on the surface of the unevenness so that the unevenness is not embedded. Therefore, unlike the prior art, voids and open pores are not generated in the first place when the unevenness is embedded. Then, when the expansion layer expands in the expansion step, the expansion layers facing each other in the unevenness come into contact with each other by expansion in the width direction thereof, and as a result, the unevenness is embedded. Of course, there are no voids or open pores in the expanded layer after the irregularities are embedded.
流動効果のみを期待した従来のリフロー処理の場合、ボイドが小さくなるほど流体抵抗が増大するため、処理温度を上げるか、もしくは処理時間を長くする必要があった。しかし、本発明のように膨張層を絶縁膜の流動化を助勢するために用いた場合、熱処理の温度と時間は膨張層の膨張量に依存するため、ボイドが小さくなるほどボイドを消滅させるための膨張層の膨張量が少なくて済むことから、処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。また、膨張流動層を膨張、流動させた場合も、熱処理の温度および時間は膨張流動層の膨張量に依存するため、同様に処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。また、膨張層を酸化膨張させて、それ自身で凹凸を埋め込んだ場合も熱処理の温度および時間は膨張層の膨張量に依存するため、同様に処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。 In the case of the conventional reflow process that expects only the flow effect, the fluid resistance increases as the void becomes smaller. Therefore, it is necessary to increase the processing temperature or lengthen the processing time. However, when the expansion layer is used to assist fluidization of the insulating film as in the present invention, since the temperature and time of the heat treatment depend on the expansion amount of the expansion layer, the void becomes smaller as the void becomes smaller. Since the expansion amount of the expansion layer is small, the processing temperature can be lowered or the processing time can be shortened. Also, when the expanded fluidized bed is expanded and fluidized, the temperature and time of the heat treatment depend on the expansion amount of the expanded fluidized bed, so that the processing temperature can be similarly lowered or the processing time can be shortened. Also, when the expansion layer is oxidatively expanded and the unevenness is embedded by itself, the temperature and time of the heat treatment depend on the expansion amount of the expansion layer, so that the processing temperature is similarly lowered or the processing time is shortened. be able to.
したがって、本発明の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも処理温度の低温化を図ることができるとともに、絶縁膜中にボイドや開気孔のない半導体装置を製造することができ、装置の歩留まりを向上させることができるという効果が得られる。 Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the processing temperature can be lowered as compared with the conventional method, and a semiconductor device having no voids or open pores in the insulating film can be manufactured. The effect that the yield can be improved is obtained.
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
まず、本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子により形成された凹凸の上に、酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、膨張層を成膜する第2成膜工程と、絶縁膜を成膜する第3成膜工程と、これらが成膜された半導体基板を熱処理し膨張層を膨張させる膨張工程とを含むものである。以下、各工程について説明する。 First, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a first film forming step of forming an antioxidant layer on the irregularities formed by elements on a semiconductor substrate, and forming an expansion layer The process includes a second film forming process, a third film forming process for forming an insulating film, and an expansion process for expanding the expanded layer by heat-treating the semiconductor substrate on which the film is formed. Hereinafter, each step will be described.
図1は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を適用する半導体装置の断面形状を示すものである。まず、図1(a)に示すように、半導体基板11上に形成されたゲート絶縁膜やゲート電極等の配線構造物(素子)によりできた凹凸1(トレンチ)に、減圧化学的気相成長法(以下「LPCVD」という。)により第1層として酸化防止層2を成膜する第1成膜工程を実施する。本実施形態では、凹凸1の溝の大きさは幅1μm、深さ2.5μmであり、これに150nm厚の酸化防止層2を成膜した。この酸化防止層2は、例えばリシコン窒化膜からなり、後工程での処理による水分が素子まで浸入しないようにするための保護膜(バリアー層)として機能する。
FIG. 1 shows a cross-sectional shape of a semiconductor device to which a semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment of the present invention is applied. First, as shown in FIG. 1A, low-pressure chemical vapor deposition is performed on unevenness 1 (trench) made of a wiring structure (element) such as a gate insulating film and a gate electrode formed on a
次に、図1(b)に示すように、第1層である酸化防止層2の上に、第2層としてLPCVDにより、酸化雰囲気中で熱処理することで酸化により膨張し得る膨張層3を成膜する第2成膜工程を実施する。膨張層3の厚さは最終的に後述する絶縁膜4中に生じるであろうボイド幅の2分の1以上となる厚さとなるように形成する。本実施形態では100nm厚の膨張層3を成膜した。この膨張層3は、ポリシリコン、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる膜であるのが好ましい。また、アルミニウムもしくはタンタル又はこれらの合金からなる膜であってもよい。さらに、膨張層としては上記以外にも、酸化雰囲気中で酸化されて膨張する性質をもつ全ての物質を採用することができる。
Next, as shown in FIG. 1B, an
次に、図1(c)に示すように、第2層である膨張層3の上に、常圧化学的気相成長法(以下「APCVD」という。)により、第3層として絶縁膜4を凹凸が埋まる程度に成膜する第3成膜工程を実施する。この絶縁膜4は、リン、ヒ素、ボロン、フッ素及びハロゲン化物のうち少なくとも一種類を含有するシリコン酸化膜(BPSG膜、PSG膜等)であるのが好ましい。このとき、同図に示すように、絶縁膜4の中にボイド5(気泡)を生じている。
Next, as shown in FIG. 1C, the insulating
次に、上記の第1層から第3層が形成された半導体基板11を酸素又は水蒸気を含む雰囲気(酸化雰囲気)中で熱処理を行い、膨張層3を酸化させて膨張させる膨張工程を実施する。
Next, the
ここで、図2は、ポリシリコン及び単結晶シリコンの酸化膜厚の酸化処理時間依存性を示すものであり、横軸に酸化処理時間[min]をとり、縦軸に酸化膜厚[nm]をとっている。図中、「p−Si」はポリシリコンを示し、「c−Si(100)」は単結晶シリコン(100)を示している。熱処理は、水蒸気を含む雰囲気中で温度及び圧力がそれぞれ600℃、2MPaの条件下で実施した。この結果から、ポリシリコン、単結晶シリコンともに、酸化処理時間に比例して酸化膜厚は厚くなる傾向があることが分かる。 Here, FIG. 2 shows the dependency of the oxide film thickness of polysilicon and single crystal silicon on the oxidation treatment time. The horizontal axis represents the oxidation treatment time [min], and the vertical axis represents the oxide film thickness [nm]. Have taken. In the figure, “p-Si” indicates polysilicon, and “c-Si (100)” indicates single crystal silicon (100). The heat treatment was performed under conditions of a temperature and a pressure of 600 ° C. and 2 MPa, respectively, in an atmosphere containing water vapor. From this result, it can be seen that the thickness of the oxide film tends to increase in proportion to the oxidation processing time for both polysilicon and single crystal silicon.
図3は、単結晶シリコンの酸化膜厚の酸化処理温度依存性を示すものであり、横軸に酸化処理時間[min]をとり、縦軸に酸化膜厚[nm]をとっている。図中、「○」、「■」、「▲」はそれぞれ処理温度を示しており、「○」は600℃、「■」は580℃、「▲」は550℃を示し、いずれも水蒸気を含む雰囲気中で2MPaの圧力条件下で熱処理を実施した。この結果から、単結晶シリコンは酸化処理温度に対し指数的に酸化膜厚が厚くなる傾向があることが分かる。 FIG. 3 shows the oxidation treatment temperature dependence of the oxide film thickness of single crystal silicon. The horizontal axis represents the oxidation treatment time [min], and the vertical axis represents the oxide film thickness [nm]. In the figure, “○”, “■” and “▲” indicate treatment temperatures, respectively, “◯” indicates 600 ° C., “■” indicates 580 ° C., and “▲” indicates 550 ° C. Heat treatment was performed under a pressure condition of 2 MPa in an atmosphere containing the same. From this result, it can be seen that single crystal silicon tends to have an oxide film thickness that increases exponentially with respect to the oxidation treatment temperature.
図4は、単結晶シリコンの酸化膜厚の酸化圧力依存性を示すものであり、横軸に酸化処理圧力[MPa]をとり、縦軸に酸化速度[nm/min]をとっている。熱処理は、水蒸気を含む雰囲気中で600℃の加熱条件下で実施した。この結果から、単結晶シリコンは酸化処理圧力に比例して酸化膜厚が厚くなる傾向があることが分かる。 FIG. 4 shows the oxidation pressure dependence of the oxide film thickness of single crystal silicon, with the horizontal axis representing the oxidation treatment pressure [MPa] and the vertical axis representing the oxidation rate [nm / min]. The heat treatment was performed under a heating condition of 600 ° C. in an atmosphere containing water vapor. From this result, it can be seen that single crystal silicon tends to have a thick oxide film thickness in proportion to the oxidation treatment pressure.
熱処理の一例として、水蒸気を含む雰囲気において2MPaの圧力条件下、及び600℃の加熱条件下で熱処理を行ったところ、ポリシリコンの酸化レートは約46nm/Hr、アモルファスシリコンの酸化レートは約24nm/Hrであり、ボイド径が50nm程度の場合、膨張層がポリシリコン層であるときは2時間程度を要し、膨張層がアモルファスシリコン層であるときは4時間程度を要した。 As an example of the heat treatment, when heat treatment is performed in an atmosphere containing water vapor under a pressure condition of 2 MPa and a heating condition of 600 ° C., the oxidation rate of polysilicon is about 46 nm / Hr, the oxidation rate of amorphous silicon is about 24 nm / When it was Hr and the void diameter was about 50 nm, it took about 2 hours when the expansion layer was a polysilicon layer, and about 4 hours when the expansion layer was an amorphous silicon layer.
そこで、これらの結果を踏まえ、膨張工程では、酸化雰囲気において大気圧(約0.1MPa)以上の圧力条件下で、及び400℃〜800℃の加熱条件下で熱処理を行うことが好ましい。図4の結果から、膨張層3の酸化速度は処理圧力に比例するため、具体的な処理圧力は、生産性等の観点から実用的な処理時間を下回らないような圧力に設定される。この熱処理により、第2層として成膜した膨張層3は高圧酸化雰囲気により酸化され、膨張層3がポリシリコン層であるときは酸化シリコンに変化し、ポリシリコン層は酸化によって2倍程度の厚さまで膨張する。このとき、加熱により粘性が低下して流動化した第3層であるBPSG等の絶縁膜4は、膨張層3の膨張により圧縮され、図5(a)のように絶縁膜4中のボイド5も縮小していく。そして、熱処理の最終段階では、図5(b)のように膨張層3の膨張によりボイド5が完全に消滅する。
Therefore, based on these results, in the expansion step, it is preferable to perform heat treatment in an oxidizing atmosphere under a pressure condition of atmospheric pressure (about 0.1 MPa) or more and under a heating condition of 400 ° C. to 800 ° C. From the result of FIG. 4, since the oxidation rate of the
また、この段階で、不純物を含むBPSG等の絶縁膜4からの不純物が、酸化・膨張した膨張層3に拡散し、最終的には絶縁膜4と同様の層となり、ボイドフリーの層間絶縁膜として機能する。例えば、膨張層3がポリシリコン、絶縁膜4がBPSG膜であるときは、ポリシリコンは酸化により酸化シリコンとなり、これにBPSG膜からの不純物が拡散して最終的にはPBSG膜となる。
Further, at this stage, impurities from the insulating
このように、本発明の第1の実施の形態によれば、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1の上に酸化防止層2を形成し、その上に膨張層3を形成し、その上に絶縁膜4を形成し、そしてこれらが形成された半導体基板11を高圧酸化雰囲気で熱処理し、絶縁膜4を流動化させるとともに膨張層3を酸化、膨張させることにより、絶縁膜4の流動化を助勢するため絶縁膜4中に生じたボイド5(気泡)を完全に消滅させることができるという効果が得られる。この結果、装置の歩留まりを向上させることができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the
流動効果のみを期待した従来のリフロー処理の場合、ボイドが小さくなるほど流体抵抗が増大するため、処理温度を上げるか、もしくは処理時間を長くする必要があった。しかし、本発明のように膨張層3を絶縁膜4の流動化を助勢するために用いた場合、熱処理の温度と時間は膨張層3の膨張量に依存するため、ボイド5が小さくなるほどボイド5を消滅させるための膨張層3の膨張量が少なくて済むことから、処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。
In the case of the conventional reflow process that expects only the flow effect, the fluid resistance increases as the void becomes smaller. Therefore, it is necessary to increase the processing temperature or lengthen the processing time. However, when the
次に本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法について説明する。本発明による第2の実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1の上に、酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、膨張流動層を成膜する第2成膜工程と、これらが成膜された半導体基板11を熱処理し膨張流動層を膨張させる膨張工程とを含むものである。以下、各工程について説明する。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. The method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a first film forming step of forming an antioxidant layer on the
図6は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の製造方法を適用する半導体装置の断面形状を示すものである。まず、図6(a)に示すように、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1に、LPCVDにより第1層として酸化防止層2を成膜する第1成膜工程を実施する。この酸化防止層2は第1の実施形態と同様のものである。
FIG. 6 shows a cross-sectional shape of a semiconductor device to which the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is applied. First, as shown in FIG. 6A, a first film forming step is performed in which an
次に、図6(b)に示すように、第1層である酸化防止層2の上に、第2層としてLPCVDにより、酸化雰囲気中で熱処理することで酸化して膨張、流動化し得るとともに絶縁性をもつ膨張流動層6を凹凸1が埋まる程度に成膜する第2成膜工程を実施する。このとき、同図に示すように、膨張流動層6の中にボイド5(気泡)を生じたり、図6(c)のように凹凸1に対する膨張流動層6の埋め込みが不十分であると開気孔7を生じたりする。この膨張流動層6は、ボロン、リン、及びフッ素のうち少なくとも一種類を含有するポリシリコン(ドープドポリシリコン)又はアモルファスシリコン(ドープドアモルファスシリコン)からなるのが好ましい。また、膨張流動層6としては上記以外にも、酸化雰囲気中で酸化されて膨張するとともに流動化し、酸化により絶縁性をもつ全ての物質を採用することができる。
Next, as shown in FIG. 6 (b), the second layer can be oxidized and expanded and fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere by LPCVD as the second layer on the
次に、上記の第1層及び第2層が形成された半導体基板11に対して酸化雰囲気中で熱処理を行い、膨張流動層を膨張、流動化させる膨張工程を実施する。膨張工程では、第1の実施形態と同様に、酸化雰囲気において大気圧(約0.1MPa)以上の圧力条件下、及び400℃〜800℃の加熱条件下で熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、第2層として成膜した膨張流動層6は高圧酸化雰囲気により酸化され、膨張流動層6がドープドポリシリコン又はドープドアモルファスシリコンであるときは、リン、ボロン等を含んだ酸化シリコン(BSG、PSG、BPSG等)に変化する。膨張流動層6は、この酸化過程において膨張するとともに、熱処理により粘性が低下して流動化する。このとき、膨張流動層6は最大で2倍程度まで膨張する。
Next, the
これにより、膨張流動層6中のボイド5は圧縮されて図7(a)のように縮小していき、熱処理の最終段階では図7(b)のように完全に消滅する。また、開気孔7を生じている場合でも、膨張流動層6が熱処理により膨張、流動化することにより、図8(a)のように開気孔7はその表面が平坦化された後、図8(b)のようにボイド8に遷移していく。そして、その後は図7(a)と同様に圧縮されて縮小し、最終的には図7(b)と同様に完全に埋め込まれ、ボイド8は消滅する。
Thereby, the
このように、本発明の第2の実施形態による半導体装置の製造方法によれば、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1の上に酸化防止層1を成膜し、その上に膨張流動層6を成膜し、そしてこれらが成膜された半導体装置を高圧酸化雰囲気で熱処理し、膨張流動層6を膨張させるとともに流動化させることにより、膨張流動層6中に発生したボイド5(気泡)を完全に消滅させることができるという効果が得られる。また、凹凸1に対する膨張流動層6の埋め込みが不十分であるために開気孔7が生じた場合でも、膨張および流動化の効果により開気孔7の埋め込みが行われるため、開気孔7を消滅させることができるという効果が得られる。この結果、装置の歩留まりを向上させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the
また、膨張流動層6を膨張、流動させた場合、第1の実施形態と同様に、熱処理の温度および時間は膨張流動層6の膨張量に依存するため、ボイド5が小さくなるほどボイド5を消滅させるための膨張層の膨張量が少なくて済むことから、同様に処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。
Further, when the expanded
次に本発明の第3の実施の形態による半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for fabricating a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described.
本発明による第3の実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1の上に、酸化防止層を成膜する第1成膜工程と、膨張層を成膜する第2成膜工程と、これらが成膜された半導体基板11を熱処理し膨張層を膨張させる膨張工程とを含むものである。以下、各工程について説明する。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention includes a first film forming step of forming an antioxidant layer on the
図9は、本発明の第3の実施形態による半導体装置の製造方法を適用する半導体装置の断面形状を示すものである。まず、図9(a)に示すように、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1に、LPCVDにより第1層として酸化防止層2を成膜する第1成膜工程を実施する。この酸化防止層2は第1の実施形態と同様のものである。
FIG. 9 shows a cross-sectional shape of a semiconductor device to which the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention is applied. First, as shown in FIG. 9A, a first film-forming step is performed in which the
次に、図9(a)に示すように、第1層である酸化防止層2の上に、第2層としてLPCVDにより、膨張層3を成膜する第2成膜工程を実施する。第2成膜工程で成膜する膨張層3は、酸化雰囲気中で熱処理することで酸化により膨張すると共に絶縁性をもつに至る性質を有する。この第2成膜工程では、凹凸1が埋め込まれないように、凹凸1の表面に膨張層3を形成する。このとき、膨張層3の凹凸の幅方向の厚さtは、後述する膨張工程を実施したときに膨張層3が酸化膨張し、これにより凹凸1が隙間無く埋め込まれる程度の厚さとする。
Next, as shown in FIG. 9A, a second film-forming step is performed in which an
この膨張層3は、ポリシリコン、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる膜であるのが好ましい。また、膨張層3としては上記以外にも、酸化雰囲気中で酸化されて膨張すると共に絶縁性をもつに至る性質をもつ全ての物質を採用することができる。
The
上述したように、膨張層3がポリシリコンである場合、後述する膨張工程において、最終的には、膨張層は元の膜厚の2倍程度まで膨張する。したがって、膨張層3がポリシリコンである場合は、凹凸1の溝幅方向の膨張層3の膜厚tが、凹凸1の溝の最大幅Wの約4分の1以上となるように膨張層3を成膜すれば、後述する膨張工程において、凹凸1が隙間無く埋め込まれることになる。なお、膨張層3にポリシリコン以外の物質を適用する場合も、膨張工程の最終段階における膨張量を考慮して、酸化膨張により凹凸1が隙間無く埋め込まれるように、成膜の厚さを設定する。
As described above, when the
次に、上記の第1層及び第2層が形成された半導体基板11に対して酸化雰囲気中で熱処理を行い、膨張流動層を膨張させる膨張工程を実施する。膨張工程では、第1及び第2の実施形態と同様に、酸化雰囲気において大気圧(約0.1MPa)以上の圧力条件下、及び400℃〜800℃の加熱条件下で熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、第2層として成膜した膨張層3は高圧酸化雰囲気により酸化され、膨張層3がポリシリコン層であるときは、酸化シリコンに変化し、ポリシリコンは酸化によって2倍程度の厚さまで膨張する。そして、膨張工程において膨張層3が膨張すると、凹凸1内で対向する膨張層3同士が自身の幅方向の膨張により互いに接触し、この結果、図10(a)、(b)に順に示すように、隙間無く凹凸1が埋め込まれる。なお、酸化シリコンに変化した膨張層3は、層間絶縁膜として機能する。
Next, the
このように、本発明の第3の実施形態によれば、半導体基板11上の素子により形成された凹凸1の上に、酸化防止層2を形成し、その凹凸の表面に膨張層3を形成し、そしてこれらが形成された半導体基板11を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張層3を酸化させて膨張させ、その際に、第2成膜工程において、膨張工程における膨張層3の膨張によって凹凸1が埋め込まれる程度の厚さの膨張層3を成膜するので、膨張行程を実施したときに膨張層が酸化膨張し、これにより凹凸が隙間無く埋め込まれる。
Thus, according to the third embodiment of the present invention, the
また、かかる方法では、凹凸1が埋め込まれないように、凹凸1の表面に膨張層3を形成するので、従来技術のように、凹凸1の埋め込み時にボイドや開気孔を生じることがそもそも無い。もちろん、凹凸1が埋め込まれた後の膨張層3には、ボイドや開気孔は存在しない。したがって、装置の歩留まりを向上させることができる。
Further, in this method, the
また、膨張層を酸化膨張させて、それ自身で凹凸を埋め込んだ場合、第1及び第2の実施形態と同様に、熱処理の温度および時間は膨張層の膨張量に依存するため、同様に処理温度の低温化又は処理時間の短縮化を図ることができる。 Further, when the expansion layer is oxidatively expanded and the unevenness is embedded by itself, as in the first and second embodiments, the temperature and time of the heat treatment depend on the expansion amount of the expansion layer. The temperature can be lowered or the processing time can be shortened.
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
1 凹凸(トレンチ)
2 酸化防止層
3 膨張層
4 絶縁膜
5 ボイド(気泡)
6 膨張流動層
7 開気孔
8 ボイド
11 半導体基板
1 Unevenness (trench)
2
6 Expanded fluidized bed 7 Open pores 8
Claims (8)
この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張し得る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
この膨張層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより流動化し得る絶縁膜を凹凸が埋め込まれるように成膜する第3成膜工程と、
酸化防止層、膨張層及び絶縁膜が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、絶縁膜を流動化させるとともに膨張層を酸化させて膨張させることにより、絶縁膜中に生じた気泡を消滅させる膨張工程とを含み、
前記膨張層は、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first film forming step of forming an anti-oxidation layer on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate to prevent moisture from entering the element;
A second film forming step of forming an expansion layer on the antioxidant layer, which can be oxidized and expanded by heat treatment in an oxidizing atmosphere;
A third film-forming step of forming an insulating film that can be fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere on the expansion layer so that the unevenness is embedded ;
Bubbles generated in the insulating film by heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer, the expanding layer and the insulating film are formed in an oxidizing atmosphere to fluidize the insulating film and oxidize and expand the expanding layer and a expansion step to eliminate the,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the expansion layer is made of amorphous silicon or silicide.
この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張し得る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
この膨張層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより流動化し得る絶縁膜を凹凸が埋め込まれるように成膜する第3成膜工程と、
酸化防止層、膨張層及び絶縁膜が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、絶縁膜を流動化させるとともに膨張層を酸化させて膨張させることにより、絶縁膜中に生じた気泡を消滅させる膨張工程とを含み、
前記膨張層は、アルミニウムもしくはタンタル又はこれらの合金からなる、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first film forming step of forming an anti-oxidation layer on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate to prevent moisture from entering the element;
A second film forming step of forming an expansion layer on the antioxidant layer, which can be oxidized and expanded by heat treatment in an oxidizing atmosphere;
A third film-forming step of forming an insulating film that can be fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere on the expansion layer so that the unevenness is embedded ;
Bubbles generated in the insulating film by heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer, the expanding layer and the insulating film are formed in an oxidizing atmosphere to fluidize the insulating film and oxidize and expand the expanding layer and a expansion step to eliminate the,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the expansion layer is made of aluminum, tantalum, or an alloy thereof.
この酸化防止層の上に、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張、流動化し得るとともに絶縁性をもつ膨張流動層を凹凸が埋め込まれるように成膜する第2成膜工程と、
酸化防止層及び膨張流動層が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張流動層を酸化させて膨張させるとともに流動化させることにより、膨張流動層中に生じた気泡又は膨張流動層に生じた開気孔を消滅させる膨張工程とを含む、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first film forming step of forming an anti-oxidation layer on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate to prevent moisture from entering the element;
A second film-forming step of forming an inflated fluidized layer on the anti-oxidation layer so as to be embedded with irregularities while being oxidized and expanded and fluidized by heat treatment in an oxidizing atmosphere; and
The semiconductor substrate on which the antioxidant layer and the expanded fluidized layer are formed is heat-treated in an oxidizing atmosphere, and the expanded fluidized bed is oxidized and expanded and fluidized, thereby generating bubbles or expanded fluid in the expanded fluidized bed. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: an expansion step of eliminating open pores generated in the layer.
この酸化防止層が成膜された凹凸の表面に、該凹凸が埋め込まれないように、酸化雰囲気中で熱処理することにより酸化して膨張すると共に絶縁性をもつに至る膨張層を成膜する第2成膜工程と、
酸化防止層及び膨張層が成膜された前記半導体基板を酸化雰囲気中で熱処理し、膨張層を酸化させて膨張させる膨張工程と、を含み、
前記第2成膜工程において、前記膨張工程における膨張層の膨張によって前記凹凸が埋め込まれる程度の厚さの膨張層を成膜し、
前記膨張層は、アモルファスシリコン又はシリサイドからなる、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first film forming step of forming an anti-oxidation layer on the unevenness formed by the element on the semiconductor substrate to prevent moisture from entering the element;
In order to prevent the unevenness from being embedded in the surface of the unevenness on which the antioxidant layer is formed, a thermal expansion process is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize and expand and to form an expanded layer that has insulation properties. 2 film forming steps;
An expansion step of heat-treating the semiconductor substrate on which the antioxidant layer and the expansion layer are formed in an oxidizing atmosphere to oxidize and expand the expansion layer, and
In the second film formation step, forming an expansion layer having a thickness to the extent that the irregularities are embedded by expansion of the expansion layer in the expansion step ,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the expansion layer is made of amorphous silicon or silicide.
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