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JP2004140219A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2004140219A
JP2004140219A JP2002304283A JP2002304283A JP2004140219A JP 2004140219 A JP2004140219 A JP 2004140219A JP 2002304283 A JP2002304283 A JP 2002304283A JP 2002304283 A JP2002304283 A JP 2002304283A JP 2004140219 A JP2004140219 A JP 2004140219A
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Japan
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insulating film
semiconductor substrate
reaction chamber
semiconductor device
frequency power
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JP2002304283A
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Inventor
Yuji Honda
本田 勇二
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NEC Kyushu Ltd
Original Assignee
NEC Kyushu Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】配線23の間を埋める層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、半導体基板21上に形成される配線の下地である絶縁膜22をプラズマイオンでキズ付けたり、下地にチャ−ジアップさせたりすることなく半導体基板上の配線23間の隙間に層間絶縁膜25を埋め込むことができるようにする。
【解決手段】絶縁膜22上に配線23を有する半導体基板21に配線23を含む絶縁膜22上に、基板バイアスを印加させることなく薄い保護膜24を形成してから、層間絶縁膜25を形成する。
【選択図】   図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体基板に高周波電力を印加する高密度プラズマCVD法を用いて半導体装置の層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の回路素子の微細化に伴いによる半導体装置における配線構成には、多層配線が必要となる。また、微細化による配線の間隔や線幅が狭くなる。しかしながら、この配線の微細化による配線抵抗の増加を避けるために、ある程度の配線断面積が必要である。
【0003】
このため、配線の高さを高くし実際の抵抗を低くしている。しかしながら、配線の間隔が狭く配線の高さが高くなる高アスペクト比の配線パタ−ンに層間絶縁膜を埋めるには、埋め込み性の良い、例えば、シリコン基板に高周波電力を印加するバイアス系プラズマCVD法が主に用いられている。
【0004】
図3(a)〜(c)は従来の半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である。この製造方法は、間隔の狭いあるいは広い金属配線に層間絶縁膜を形成する方法である。まず、図3(a)に示すように、シリコン基板101の表面に絶縁膜102が形成され、さらに、絶縁膜102の上にパタ−ニングされた下層配線107a〜107eが形成されている。
【0005】
次に、図3(b)に示すように、シリコン基板101に高周波電力を印加し、高密度プラズマ法により13.5MHzという高い基板バイアスで薄いシリコン酸化膜108を形成する。すなわち、プラズマイオンが追従できない周波数でシリコン酸化膜を形成することで、下地のトランジスタ等のゲ−ト酸化膜の界面準位の生成を抑えている。
【0006】
次に、図3(c)に示すように、イオンが追従できる400kHzの低周波数の基板バイアスを用いてシリコン酸化膜109を形成する。このように、基板にプラズマダメ−ジを避けるために、最初にプラズマダメ−ジを与えない高い周波数をバイアスして酸化膜を形成し、しかる後、プラズマイオンを引き込み厚い酸化膜で配線間を埋め込んでいる(特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−154673号公報(第12頁−13頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体装置の製造方法では、イオンが追従できない高い周波数である基板バイアスを印加して薄い酸化膜を形成しているものの、プラズマ中の軽いイオンや電子を引き込む恐れがある。このため、引き込まれた電子や軽いイオンが半導体基板に衝突し、半導体基板の下地である酸化膜に削るだけではなくチャ−ジアップし、MOSトランジスタのゲ−ト酸化膜を破損させるという問題がある。
【0009】
また、配線間の隙間を層間絶縁膜で埋め込む際に、基板バイアスの周波数を変更しなければならず、作業上煩わしさがある。さらに、二つの高周波電源を必要とし設備コストが高くなるという欠点がある。
【0010】
従って、本発明の目的は、半導体基板上に形成される配線層の下地をプラズマイオンでキズ付けたり、下地にチャ−ジアップさせたりすることなく半導体基板上の配線間の隙間に層間絶縁膜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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、半導体基板に高周波電力を印加する高密度プラズマCVD法を用いて半導体装置の配線間の隙間に層間絶縁膜を埋め込む半導体装置の製造方法において、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に導電層を形成する工程と、前記導電層をパタ−ニングにより配線を形成する工程と、しかる後前記絶縁層を含む前記配線上に保護絶縁膜を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法である。
【0012】
また、前記保護絶縁膜を形成した後、前記配線の隙間を埋める層間絶縁膜を形成することが望ましい。さらに、前記保護絶縁膜の膜厚は、少なくとも20nmであることが望ましい。さらに、前記高密度プラズマCVD法は、誘導結合プラズマ発生装置を用いる高密度プラズマCVD法であることが望ましい。
【0013】
本発明の他の特徴は、絶縁膜が形成され該絶縁膜上に配線を有する半導体基板を載置するペデスタルを収納する反応室と、この反応室の頭頂部に配置される第1の誘導コイルと、前記反応室の側壁に配置される第2の誘導コイルと、前記反応室の頭頂部から反応ガスを導出するトップノズルと、前記反応室の側壁から反応ガスを導出するサイドノズルと、前記半導体基板に基板バイアスを印加する高周波電源とを備える誘導結合型プラズマCVD装置において、前記トップノズルから前記反応ガスを減圧された前記反応室に導出し、前記第1および第2の誘導コイルに高周波電力を印加させプラズマを発生させ、前記半導体基板に基板バイアスを印加させることなく前記配線を含む前記半導体基板の絶縁膜上に保護膜を形成する半導体装置の製造方法である。
【0014】
また、前記保護膜を形成した後に、前記トップノズルおよび前記サイドノズルから前記反応ガスを導出させ、前記第1および第2の誘導コイルに高周波電力を印加させプラズマを発生させ、前記半導体基板に基板バイアスを印加させ、前記半導体基板の配線の間を埋める層間絶縁膜を形成することが望ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
【0016】
図1は本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための誘導結合型プラズマCVD装置の構成を示す模式断面図である。高密度プラズマCVD装置である誘導結合プラズマCVD装置は、図1に示すように、反応室1の頭頂部に配置される誘導コイル9と外側壁に巻かれる誘導コイル8を有している。また、反応ガスを反応室1に導入するトップノズル3およびサイドノズル2が配置されている。そして、誘導コイル8および誘導コイル9への高周波電源11および高周波電源10の高周波電力の印加と導入される反応ガスとによって、反応室1内にプラズマを発生させる。
【0017】
また、被処理基板であるウェハ20は、表面がセラミックなどでコ−ティングされたペデスタル4に静電吸着保持されている。そして、冷却ガス供給装置7からウェハ20の裏面に供給されるヘリウムによりウェハの上昇温度を抑えている。プラズマに加熱されても、例えば、ウェハ20の温度は摂氏350度に維持される。
【0018】
一方、反応室1に供給される反応ガスは、頭頂部にあるトップノズル3と側壁部にあるサイドノズル2から導入される。トップノズル3からはArおよびOならびにシランガス(SiH)が供給され、同様にサイドノズル2からもArおよびOならびにシランガス(SiH)が供給される。導入された反応ガスはタ−ボポンプ6で減圧されるが、圧力が放電し易い圧力になるようにスロットルバルブ13で調節される。
【0019】
プラズマを励起する誘導コイル9および誘導コイル8には、2MHzの高周波電力を印加する高周波電源10および高周波電源11が接続されている。一方、ペデスタル4を含む下部電極5には、基板バイアスとなる13.56MHzの高周波電源12が接続され、基板バイアスを印加することでプラズマ中のイオンを引き込む作用が生じる。この基板バイアスを印加することで、アルゴンイオンによるスパッタエッチングレ−トの傾斜角依存性を利用して、傾斜した部分のスパッタ率が高くなる。
【0020】
図2(a)〜(d)は本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するために工程順に示す断面図である。次に、図1と図2を参照して半導体装置の製造方法を説明する。
【0021】
まず、図2(a)に示すように、半導体基板21に酸化膜である絶縁膜22を形成し、その上に配線層を形成し、レジストを塗布しそれをマスクにし、配線層をパタ−ンニングし、図2(b)に示す配線23を形成する。この工程は、通常の平行平板型プラズマCVD装置やECRプラズマCVD装置でも実施できる。
【0022】
次に、図1の誘電結合型プラズマCVD装置のペデスタル4に半導体基板21を載置し、タ−ボポンプ6により反応室1を減圧する。反応室1が所定の圧力に到達したら、トップノズル3からArを16sccm、Oを45sccm、SiHを18sccmを反応室1に導出し、高周波電源11,10により高周波電力を誘導コイル8,9に印加させプラズマを発生させる。このことによりプラズマ中の電荷をもたないラジカルが、プラズマにより加熱された半導体基板に吸着反応し、図2(c)に示すように、絶縁膜22および配線23に薄いシリコン酸化膜である一様の厚さの保護膜24が形成される。
【0023】
なお、半導体基板に基板バイアスが印加されないので、プラズマ中のイオンを引き込むことがないので、絶縁膜22の損傷やゲ−ト酸化膜の破壊を起こすことはない。また、種々の実験からこの保護膜24の厚さは、薄くとも20nmは必要である。そして、この保護膜24の厚さに達する時間は、数秒で得られる。
【0024】
この保護膜24を形成した後、引き続き、トップノズル3からArを16sccm、Oを20sccm、SiHを9.5sccmを反応室1に導出し、サイドノズル2からArを110sccm、Oを120sccm、SiHを56sccmを反応室1に導出させ、高周波電力を誘導コイルに印加し、プラズマを発生させる。そして、半導体基板に基板バイアスとして高周波電源12により高周波電力、例えば、2000乃至3500Wを印加させる。
【0025】
このことにより、プラズマ中のイオンが引き込まれ、アルゴンイオンによるスパッタエッチングレ−トの傾斜角度依存性に伴って、デポジションとスパッタリングが同時に起き、図2(d)に示すように、配線23の間を層間絶縁膜25が埋め込むように形成される。また、プラズマによって加熱される半導体基板が温度上昇しないように、冷却ガス供給装置7からヘリウムガスを供給し、半導体基板を冷却し摂氏400度に維持している。
【0026】
こように層間絶縁膜25が形成した後、配線23の真上にあたる層間絶縁膜の突起は、CMPなどにより平坦に研磨する。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、絶縁膜上に配線を有する半導体基板に前記配線を含む絶縁膜上に、基板バイアスを印加させることなく薄い保護膜を形成してから、層間絶縁膜を形成するので、下地である絶縁膜をプラズマダメ−ジや下地削れを起こすことなく層間絶縁膜を形成でき、品質の歩留まりが向上するといういう効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための誘導結合型プラズマCVD装置の構成を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するために工程順に示す断面図である。
【図3】従来の半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
1  反応室
2  サイドノズル
3  トップノズル
4  ペデスタル
5  下部電極
6  タ−ボポンプ
7  冷却ガス供給装置
8,9  誘導コイル
10,11,12  高周波電源
13  スロットルバルブ
21  半導体基板
22  絶縁膜
23  配線
24  保護膜
25  層間絶縁膜

Claims (6)

  1. 半導体基板に高周波電力を印加する高密度プラズマCVD法を用いて半導体装置の配線間の隙間に層間絶縁膜を埋め込む半導体装置の製造方法において、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に導電層を形成する工程と、前記導電層をパタ−ニングにより配線を形成する工程と、しかる後前記絶縁層を含む前記配線上に保護絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記保護絶縁膜を形成した後、前記配線の隙間を埋める層間絶縁膜を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記保護絶縁膜の膜厚は、少なくとも20nmであることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記高密度プラズマCVD法は、誘導結合プラズマ発生装置を用いる高密度プラズマCVD法であることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 絶縁膜が形成され該絶縁膜上に配線を有する半導体基板を載置するペデスタルを収納する反応室と、この反応室の頭頂部に配置される第1の誘導コイルと、前記反応室の側壁に配置される第2の誘導コイルと、前記反応室の頭頂部から反応ガスを導出するトップノズルと、前記反応室の側壁から反応ガスを導出するサイドノズルと、前記半導体基板に基板バイアスを印加する高周波電源とを備える誘導結合型プラズマCVD装置において、前記トップノズルから前記反応ガスを減圧された前記反応室に導出し、前記第1および第2の誘導コイルに高周波電力を印加させプラズマを発生させ、前記半導体基板に基板バイアスを印加させることなく前記配線を含む前記半導体基板の絶縁膜上に保護膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記保護膜を形成した後に、前記トップノズルおよび前記サイドノズルから前記反応ガスを導出させ、前記第1および第2の誘導コイルに高周波電力を印加させプラズマを発生させ、前記半導体基板に基板バイアスを印加させ、前記半導体基板の配線の間を埋める層間絶縁膜を形成することを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
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