JPH04343456A - 半導体装置の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、更に詳しくは、例えば多層配線間の層間絶縁膜
として良質のシリコン酸化膜を比較的低温で形成せしめ
る半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの集積化が進むにつれて、素子の
最小寸法に対する段差の割合が増大し、しかも配線も多
層化しているので、段差が大きくなると配線の断線や層
間絶縁膜の不良による配線間ショートが問題になってき
ている。従って、層間絶縁膜の平坦化がますます重要に
なってきている。

【０００３】従来、半導体装置の製造過程における層間
絶縁膜の形成方法としては、バイアススパッタ法、エッ
チバック法、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）　
塗布法等が提案されており、一部実用化されている。し
かし、従来法にはプラズマを使った場合には、基板にダ
メージを与えるという問題があり、また、ＳＯＧからの
脱ガスで配線不良が発生するという問題があった。そこ
でＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ソースガスを用い
たＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）　法が提案されているが、この方法にはＴＥ
ＯＳの熱分解温度が　６００℃以上と高いため、Ａｌを
配線材料とする場合の層間絶縁膜には適用できないとい
う問題がある。この問題を解決するため、ソースガスに
更にオゾンを添加して反応を促進し、　４００℃程度の
比較的低温で酸化膜を形成し得ることを認めたが、この
方法には、膜質が未だ完全でなく、生成した膜の脱ガス
及び吸湿性の問題があり、更にエッチングレートが異常
に早い部分があって後に巣が出来るという問題があった
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、前
記した従来の層間絶縁膜の形成方法の問題点を解決して
、基板等がプラズマによるダメージを受けることなく、
例えば　５００℃以下の比較的低温で平坦で緻密な良質
のシリコン酸化膜を形成することのできる半導体装置の
製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、有機シ
ランガスと少なくとも水分子又は水酸基と水素原子をガ
ス状で含んだ雰囲気中で熱ＣＶＤ法のみによってシリコ
ン酸化膜を形成する工程を含んでなることを特徴とする
半導体装置の製造方法が提供される。

【０００６】水とＴＥＯＳから加水分解でシラノールが
形成され、これが脱水縮合して酸化膜になることは従来
から知られていた。そこで、本発明者らは先ずケイ素を
シラノール状で基板に堆積させた後、アニールする方法
を試みたが、この方法には時間がかかるのみでなく、成
長した膜はエッチングレートが大きい粗い膜質になるこ
とを認めた。そこで基板温度をあげていった所、ソース
ガスの供給流量に対応した或る温度から膜質の良い、平
坦な膜が得られることを見出した。これは、加水分解と
脱水縮合が同時に起こると共に、水分による酸化も起こ
るためと考えられる。脱水縮合は膜から水酸基ＯＨが抜
け出す反応なので膜質を悪くする。むしろ、水蒸気分圧
を高くして、この脱水反応を抑えて酸化反応をおこさせ
ることによって、又は同時に酸化種を拡散させて酸化さ
せることによって、膜質が向上することを認めた。しか
し、　３００〜　５００℃程度の低温では酸化種の拡散
が小さいため、有機基を多く含んだ厚膜が生成し、後で
酸化して安定化しようとしても不可能となるので、中間
反応と同時に酸化も行い、始めから緻密な膜を形成する
のが極めて有効である。更にソースガス中にオゾンを添
加すると、反応が促進されて堆積温度を一層低温化でき
る。この反応の促進は水の不存在下においても起きるが
、この場合には、膜質の向上と緻密化は期待できない。 即ち、加熱された基板周辺に水蒸気、ＯＨ、Ｈ等が存在
することが必要であり、酸化膜の成長と膜の改質は同時
に行なわれなければならない。

【０００７】また、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）
、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）、ＴＭＳ（テトラ
メチルシラン）等の有機シランと酸素、水等を一緒にプ
ラズマ等で励起させると、反応が促進されることが期待
される。しかし、これを実際に試みると、反応が促進さ
れ過ぎて気相反応が主体になり、粒子状の白濁した膜し
か生成しない。分子量の大きい有機シランを安定的に励
起することは難しいが、酸素、水等の酸化種だけを励起
して反応を促進し、膜を緻密化させることは本発明にと
って有効である。更にこの酸化種をパルス的に励起すれ
ば、凹部に酸化膜を埋め込むこともでき、励起パルスオ
フの状態では完全に酸化までは進まない条件にしておけ
ば、有機基を含み流動性を持った状態で流し込み、励起
パルスオンの状態では反応と緻密化が進む条件にするこ
とで完全に平坦で緻密な酸化膜が形成される。オフ状態
で超音波をウェハーに加えると、流動性が増して平坦化
が促進される。この場合にも、有機シランを直接励起す
ると、平坦化と酸化膜の質向上を同時に満足することは
できない。これは、気相で全ての反応が生じてしまうた
め、平坦化を満足させようとすると、基板温度を上げら
れないので膜質が悪くなり、また基板温度を上げると今
度は平坦化が満たせないことになる。

【０００８】励起した水、酸素、オゾン、ＯＨ、Ｈなど
をウェハー近傍からウェハーに向かって供給すると、本
発明の効果が更にあがる。ガス状酸化剤の噴射されたウ
ェハー近傍では、圧力上昇により、ウェハー表面とチャ
ンバー内では雰囲気が違うことになり、有機シランガス
がチャンバーを通る時に前段の反応が生じ、酸化剤の圧
力が高いウェハー上で完全な緻密化が行なわれる。

【０００９】ＴＥＯＳ、ＴＭＯＳなどの有機シランをオ
ゾン、水等で前段反応を行なわさせた後に、例えばウェ
ハー近傍に設けたメッシュとウェハー間でプラズマを発
生させると、反応層が明確に二つに分かれるので効果が
あり、電極間隔を小さくすることで気相反応の効果を小
さくできるので、カバレージを悪くすることはない。こ
のようにプラズマにより酸化膜質が向上するメリットは
大きい。

【００１０】

【実施例】以下、本発明をそのいくつかの実施例に基づ
いて更に詳細に説明するが、本発明の範囲を以下の実施
例に限定するものでないことはいうまでもない。

【００１１】実施例１ 図１を参照して本発明の第一実施例を説明する。この実
施例では水とＴＥＯＳを用いてシリコン酸化膜をシリコ
ン基板上に形成する。水の発生は、恒温槽１の中に配置
した水蒸気発生のシリンダー２から数十トール程度の蒸
気圧に保ち、低差圧マスフローコントローラー（ＭＦＣ
）３により予備加熱室４に所望の量、例えば５０ｓｃｃ
ｍ程度を供給する。同様の装置によりシリンダー５から
ＭＦＣ６を通してＴＥＯＳを、例えば２０ｓｃｃｍ程度
供給する。 更に窒素（Ｎ２　）又は不活性ガス（例えばＡｒ）を加
えてシャワーノズル７から混合ガスを噴射する。予備加
熱室４では、好ましくは膜が形成しない程度の温度まで
加熱し、前段反応を促進する。好ましくは予備室のガス
圧は２０Ｔｏｒｒ程度（範囲として１〜６０Ｔｏｒｒ）
、温度は　２００℃程度（範囲は　１００〜　３００℃
）とし、反応チャンバーの圧力は、好ましくは　０．１
〜１０Ｔｏｒｒ（範囲は０．０１〜２０Ｔｏｒｒ）にす
る。なお、１０Ｔｏｒｒ以上の圧力で堆積する時は、断
熱膨張による凝集での粒子発生を防止するため、シャワ
ーノズル７での圧力差をなくす必要がある。シリコン基
板８の温度は、好ましくは　４５０℃程度とし、この例
では、シャワーノズル７からのガス噴射の効果で図２に
示した様にシャワーノズルからシリコン基板８近傍で圧
力が上昇する。このパターンは熱分布もほぼ同じである
。このことにより、シリコン基板とその表面上数十μｍ
近傍とで温度分布が発生し、　１００℃程度以上の温度
差が生じる。 このため、基板８上では酸化膜の酸化及び緻密化が同時
に進行すると共に、基板８の極近傍でＴＥＯＳの分解反
応も促進され、低温で緻密なシリコン酸化膜が形成され
る。シリコン酸化膜の成長後、搬送系９を介してロード
ロック室１０のカセット１１に戻すと共に新たなウェハ
ー基板を供給する。

【００１２】このようにして得られた基板上のシリコン
酸化膜はＳＥＭ、エッチレートによって観察したところ
、ラインアンドスペースパターをきれいに埋め込め、ま
たエッチレートも熱酸化膜に近い値を得、非常に平坦で
緻密な良質の膜であった。

【００１３】実施例２ 図３を参照して第二実施例を説明する。この例では、ガ
ス供給系は実施例１と同じで、新たに図３に示す様に有
機シランガス以外の酸素、オゾン、水等のガスをウェハ
ー近傍から供給する。チャンバー１２の周辺にドーナツ
状に配置した励起室１３から噴射することによってウェ
ハー近傍での酸化膜の緻密化を更に促進する。更に図４
に示したようにパルス変調された高周波を印加して励起
する。これによりオゾン、イオン、ラジカル等がパルス
的に発生し、この周期に同調して酸化膜の緻密化が起こ
る。更にこの逆位相で流動性物の堆積とマイグレーショ
ンにより平坦化が進行して、平坦かつ高品質の酸化膜が
成長する。この方法によれば、平坦化を促進するため、
基板に超音波発生器１４から超音波を印加する。これに
より、流動性物のマイグレーションが一層盛んになる。 １５はオゾン発生器である。表面流動性を有する膜の堆
積に対して垂直（重力方向）に超音波振動を加えると膜
の重量が見かけ上増加して流動が促進される。

【００１４】実施例３ 図５を参照して本発明の第三実施例を更に説明する。図
５に示したように、この実施例では、基板１６から５ｍ
ｍ程度離した所に金属（例えばＣｕ製）メッシュ１７を
配置する。このメッシュ１７はガスに対するコンダクタ
ンスが大きく、高周波は漏れないように作製する。シャ
ワー１８のノズルは例えば、図６に示したように、間隔
　０．３ｍｍの下に凸のテパー状をしている。これは、
チャンバーとソース供給側との圧力の変化を徐々に行な
うためである。ここで、印加される高周波はパルス状に
行なってもよい。

【００１５】本発明の第三実施例に従って、例えばＴＥ
ＯＳ（流量：２０ｓｃｃｍ）並びに水（流量：１００ｓ
ｃｃｍ）、Ｏ２　（流量：５ｓｃｃｍ）、Ａｒ（流量：
１０ｓｃｃｍ）のガスから基板付近温度　４５０℃でＳ
ｉ基板上に形成させたシリコン酸化膜は、段差部分がな
めらかに埋め込まれ、膜の電気耐圧も５ＭＶ／ｃｍ以上
と高い値を示し、非常に平坦で緻密な良質の膜であった
。

【００１６】実施例４ 次に、図７を参照して本発明の第四実施例を更に説明す
る。図７に示したように、この実施例ではウェハー（基
板）１９の近傍に滞留層２０を形成せしめてシリコン酸
化膜を基板上に形成せしめる。この方法では有機シラン
以外のガスのウェハー近傍からの供給室２１より基板１
９を取り囲むようにして供給し、滞留層２０を形成する
。シャワー２２から噴射されたＴＥＯＳ等のガスが滞留
層２０にぶつかり、より一層、基板１９の近傍とシャワ
ー２２付近との圧力差が生じて平坦化と緻密化の同時進
行が効率よく行なわれる。供給室２１よりの水、Ｏ２　
などのガスをパルス的に供給すると、膜の流動と酸化が
交互に行なわれるので、より平坦化に効果がある。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
プラズマによるダメージがなく、　５００℃以下の比較
的低温で平坦でかつ緻密な良質のシリコン酸化膜を形成
できるので、層間絶縁膜の信頼性が著しく向上する。更
に膜にかかる応力も小さいので、多層配線の信頼性も向
上する。従って、本発明によれば多層化がいっそう進み
、何世代も先の集積度を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に用いる熱ＣＶＤ装置を示
す図面である。

【図２】本発明の第一実施例におけるガス圧の分布を示
す図面である。

【図３】本発明の第二実施例に用いる熱ＣＶＤ装置の一
部を示す図面である。

【図４】本発明の第二実施例におけるパルス変調された
高周波印加による励起状況を示す図面である。

【図５】本発明の第三実施例に用いる熱ＣＶＤ装置の一
部を示す図面である。

【図６】本発明の第三実施例に用いるシャワーノズルを
示す図面である。

【図７】本発明の第四実施例に用いる熱ＣＶＤ装置の一
部を示す図面である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　有機シランガスと少なくとも水分子又
   は水酸基と水素原子をガス状で含んだ雰囲気中で熱ＣＶ
   Ｄ法のみによってシリコン酸化膜を形成する工程を含ん
   でなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】　　雰囲気中に更にオゾンを含ませる請求
   項１に記載の方法。
3. 【請求項３】　　有機シランガス以外のガスをプラズマ
   又は光等で励起して導入する請求項１又は２に記載の方
   法。
4. 【請求項４】　　有機シラン又はその他のガスをパルス
   的に間欠供給すると共に基板に超音波を印加する請求項
   ３に記載の方法。
5. 【請求項５】　　ソース供給側で膜形成温度以下の予備
   加熱を行なって前段階反応を促進し、更に膜堆積基板側
   で反応温度以上にし、かつ、基板側での温度勾配を急に
   して、基板付近のガスを滞留させてガス圧を高め、ソー
   ス供給側の流れを早くすることを特徴とする請求項１に
   記載の方法。
6. 【請求項６】　　基板近傍に導電性のメッシュを配置し
   、このメッシュと基板電極との間でプラズマを発生せし
   めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】　　有機シラン以外のガスを基板付近のガ
   ス滞留層へ供給する請求項５に記載の方法。
8. 【請求項８】　　基板の周囲を取り囲む段差を設ける請
   求項５に記載の方法。