説明

半導体装置の製造方法

【目的】半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜によって保護される半導体装置の製造方法において、スピン・オン・グラス(SOG)中にあり素子特性に大きく影響することも知られているOH基の除去方法を提供する。
【構成】ハロゲンガス雰囲気またはハロゲンイオン雰囲気中に露呈する工程を有する。ハロゲンガス及びイオン源として、Cl2,Br2,I2を、ハロゲン化イオン源としては、HCl,HBr,CCl4,CHCl3,SiCl4,SiHCl,BCl3を用いる。
【効果】OH基がClイオン等に置換され電気的に且つ機械的に安定な膜となる。トランジスタ素子のしきい値電圧の変動、移動度の低下の防止、多結晶シリコンの抵抗値の低下防止等に有効である。酸化膜の質、耐湿性も向上しALの腐食による断線等の生じない高信頼性の平坦化が可能となる。

【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、特に素子形成の際に発生するOH基の除去方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体装置の製造方法は、図5に示すように、シリコン基板101上に形成された第1の絶縁膜102上に第1の配線103,第2の絶縁膜を形成した後(図5a),SOG104を回転塗布する(図5R>5b)。この後、前記SOGをエッチバックし段差部にのみ残す(図5c)。この際エッチバックでなく、酸素プラズマ処理のみ行う場合もある。ついで、第3の絶縁膜105を形成し(図5d)、第2の配線106をホールを通じ接続する(図5e)。
【0003】このように、一般的には、半導体基板上に、素子を形成後、化学気相成長法(CVD)によるシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜を形成し素子を保護するとともに、素子(例えば薄膜トランジスタ(TFT))や配線を積み重ねていく。さらに、各素子や配線間の絶縁膜としては、不純物拡散のされた酸化膜であったり、有機溶剤に溶解したシリコン酸化膜系の液を回転塗布によって形成するスピン・オン・グラス(SOG)が用いられている。これらの絶縁物は、形成の際に水分の残留としてのOH基を多分に含むことが知られている。このOH基は形成された素子特性に大きく影響することも知られており、トランジスタ素子のしきい値電圧を変動させたり、移動度の低下を生じたりといった問題を持っている。さらに、高抵抗素子としてよく用いられる多結晶シリコンの抵抗では、OH基が多くなるとその抵抗値が低下し高抵抗素子としての機能が不十分となる。また最近SRAM等でも用いられるようになったTFTではさらに特性の変動が大きくなる。このため、様々な処理によって、このOH基の除去が行われている。
【0004】例えば、従来の工程中でも述べたが酸素プラズマ中で処理させるとOH基にOが付き安定化する。
【0005】
SixOH + O2 → SiO2 + H2Oこの際、O2の添加には反応性イオンエッチング(RIE)が良く用いられる。しかし、反応後に体積の収縮が起りクラッキングやストレスの発生があり、デバイスの信頼性に問題を生じている。
【0006】さらにこれらの問題の他にも、SOGにOH基が残ると配線材としてのAL等と直接に接するような場合、ALの腐食による断線等も発生している。これを回避する方法としては、これも従来の工程中で述べた通り、SOG上に酸化膜を積層しALと直接に接しないようにしているが工程の増加によるコストアップにつながっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の技術では、反応後に体積の収縮が起りクラッキングやストレスの発生があり、デバイスの信頼性に問題を生じていたり、AL配線の腐食や、これの回避のために工程増加を招くといった問題点を有している。
【0008】そこで本発明の目的とするところは、SOG中にあり素子特性に大きく影響することも知られているOH基を除去し、トランジスタ素子のしきい値電圧を変動させたり、移動度の低下を生じたりといった問題がなく、高抵抗素子としてよく用いられる多結晶シリコンの抵抗では、その抵抗値が低下し高抵抗素子としての機能が不十分となることがなく、また最近SRAM等でも用いられるようになったTFTでさえ特性の変動がないようなOH基の除去方法を提案するものである。さらにALに直接接する場合でもALの腐食による断線等の生じない高信頼性の平坦化技術を提供するものである
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、半導体基板上に素子形成を行う工程と、絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜を形成後、ハロゲンガス雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0010】または、絶縁膜を形成後、ハロゲンガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0011】さらに、絶縁膜を形成後、ハロゲン化水素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0012】さらに、絶縁膜を形成後、ハロゲン化炭素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0013】さらに、絶縁膜を形成後、ハロゲン化珪素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0014】さらに、絶縁膜を形成後、ハロゲン化ホウ素ガス(BCl3)のプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする。
【0015】前記ハロゲンガスは、塩素(Cl2)または、臭素(Br2)、ヨウ素(I2)であることを特徴とする。
【0016】前記ハロゲン化水素ガスは、塩化水素ガス(HCl)または、臭化水素ガス(HBr)または、ヨウ化水素(HI)であることを特徴とする。
【0017】前記ハロゲン化炭素ガスは、四塩化炭素ガス(CCl4)または、四臭化炭素ガスまたは、三塩化炭素ガス(CHCl3)四臭化炭素ガス(CBr4)であることを特徴とする。
【0018】前記ハロゲン化珪素ガスは、四塩化珪素ガス(SiCl4)または、四臭化珪素ガス(SiBr4)または、三塩化珪素ガス(SiHCl3)であることを特徴とする。
【0019】
【作用】絶縁膜中のOH基は、Cl-・Br-・I-イオンに代表されるハロゲンイオン、ハロゲンガスに置換され容易に除去されるため、ハロゲンイオンまたはハロゲンガス雰囲気中に、半導体装置を露呈することでOH基の除去か可能である。この時の反応を化学式で表わせばSixOH + X- → SixX ↑ + OH-のようになる。この反応は容易であり、かつ体積の増減をほとんど伴わない。
【0020】
【実施例】以下本発明について実施例を挙げて詳細に説明する。図1は、本発明における実施例の、工程断面図である。101はシリコン基板、102は第1の絶縁膜、103は第1の配線、104は第2の絶縁膜、105はSOG、107は第2の絶縁膜をそれぞれ表わしている。図2は本実施例を説明するための概念図であり、201はSi原子、202はO原子、203はCl原子、204はOH基をそれぞれ表わしている。また図3R>3、図4は本実施例中で用いられたエッチング装置の構成を示す図であり、401・601は印加電極、402・602は接地電極、403・603はウエハー、404・604はRF電源、605はマイクロ波電源、606はマグネットコイルをそれぞれ表わしている。
【0021】本実施例の半導体装置の製造方法は、図1に示すように、シリコン基板101上に形成された第1の絶縁膜102上に第1の配線103,第2の絶縁膜をまず形成する(図1a)。
【0022】この後、SOG104を回転塗布する(図1R>1b)。この後、ホットプレートまたはベーク炉を用いて有機溶剤を蒸発させる。この状態で、SOGをこの後示す方法によって処理する。
【0023】さらに、第2の配線106をホールを通じ接続し(図1c)、必要に応じこれらの工程を繰り返す。
【0024】本実施例中に於て基本となる工程フローについて、まず説明したが、まず第1の実施例として、ハロゲンガス雰囲気中にSOGの形成されたウエハーを露呈する場合について説明する。SOGが塗布ベークされたウエハーをCl2ガス雰囲気中で50℃で、10分間処理する。この際、図2の模式図に示したようにもともとSi原子201,O原子202,OH基203からなる膜中の、一部のOH基がCl原子204に置き変わる。この時の膜質の変化をフッ酸水溶液(5%水溶液)中でのエッチングレートで評価した。通常のドライ酸素雰囲気中での酸化膜のエチングレートは330Å/minであるのに対し、このCl処理をしないものは6780Å/minと圧倒的にエッチング速度は高い。これらに比較して、Cl処理を施したものについては、1000Å/minと大幅に熱酸化膜に近いレートとなっている。これは、SOG中に含まれるOH基の濃度が多いと親水性が強くエッチングレートが高くなるためであり、膜質の改善の効果が大きいことを示している。さらに処理時間を増してみたが大きな改善はみられなかった。さらに温度については100℃で処理した場合5690Å/minと改善された。
【0025】さらに、第2の実施例としてハロゲンガスプラズマ中にSOGの形成されたウエハーを露呈する場合について説明する。SOGが塗布ベークされたウエハーをCl2ガスプラズマ中で処理する。この際、図3に示したようなリアクティブイオンエッチング(RIE)を使用した。401は印加電極、402は接地電極、403はウエハー、404はRF電源を示している。処理条件は、ハロゲンガスとしてCl2ガスを流量が100SCCM、圧力が180mTorr、電極間隔が30mm、RFパワーが500Wで行った。
【0026】この時も、図2の模式図に示したようにもともとSi原子201,O原子202,OH基203からなる膜中の一部のOH基がCl原子204に置き変わるものと考える。この時の膜質の変化もフッ酸水溶液(5%水溶液)中でのエッチングレートで評価した。通常のドライ酸素雰囲気中での酸化膜のエチングレートは330Å/minであるのに対し、Clプラズマ処理を施したものについては、560Å/minと大幅に熱酸化膜に近いレートとなっている。さらに処理時のパワーを増してみたが、900Wで540Å/minと若干改善がみられた。この時、ガスをBr2・I2に関しても調査したが、ほぼ同様の改善がみられ、塩素と同様に臭素・ヨウ素がOH基に対し置換したものと考えられる。そのため一般的にエッチングガスとして用いられるハロゲン化ガスとして、塩化水素(HCl)・臭化水素(HBr)・ヨウ化水素(HI)・四塩化炭素(CCl4)・四臭化炭素(CBr4)・三塩化炭素(CHCl3)・四塩化珪素(SiCl4)・三塩化珪素(SiHCl3)・四臭化珪素(SiBr4)・三塩化ホウ素(BCl3)を同じ装置でほぼ同様の条件で行った。同様に、この時の膜質の変化もフッ酸水溶液(5%水溶液)中でのエッチングレートで評価した。ほぼガス種によりプラズマ処理を施したものについては、600〜500Å/minと熱酸化膜に近いレートとなっており先の結果と同様の効果がみられた。
【0027】さらに、他の構造のエッチング装置としてエレクトロン・サイクロトロン・レゾナンス(ECR)にて同様の実験を行った。実験に用いたエッチング装置の構造を図4に示す。601は印加電極、602は接地電極、603はウエハー、604はRF電源、605はマイクロ波電源、606はマグネットコイルをそれぞれ示している。この時の膜質の変化もフッ酸水溶液(5%水溶液)中でのエッチングレートで評価した。ガス種によらずこれらのプラズマ処理を施したものについては、600〜500Å/minと熱酸化膜に近いレートとなっており先の結果と同様の効果がみられた。RIEの装置を用いたときと同様にして、ハロゲンガスとして塩素(Cl2)・臭素(Br2)・ヨウ素(I2)、ハロゲン化ガスとして、塩化水素(HCl)・臭化水素(HBr)・ヨウ化水素(HI)・四塩化炭素(CCl4)・四臭化炭素(CBr4)・三塩化炭素(CHCl3)・四塩化珪素(SiCl4)・三塩化珪素(SiHCl3)・四臭化珪素(SiBr4)・三塩化ホウ素(BCl3)をこの装置でほぼ次のような条件で行った。ガスを流量が100SCCM、圧力が10mTorr、μ波パワーが300W、RFパワーが200Wで行った。この時の膜質の変化もフッ酸水溶液(5%水溶液)中でのエッチングレートで評価した。ガス種によらずこれらのプラズマ処理を施したものについては、550〜450Å/minと熱酸化膜に近いレートとなっており先の結果と同様の効果がみられ、高真空中での処理のためかRIEの場合に較べ若干であるが向上しているのが判った。
【0028】以上、3つの実施例について説明をしてきたが、エッチング装置としてはRIE・ECRについて説明した。しかしこれはこれらに限定するものでなく他のタイプのプラズマ装置でも同様の効果が得られる。また、本実施例では、SOGをエッチバックしたり、第3の絶縁膜を重ねて形成することは説明していないが、基本的な工程として説明しているわけでこれらの工程を付加することは構わない。
【0029】さらに、ハロゲンガスもしくはハロゲン化ガスについては、ガスに曝すこと、さらにはプラズマ中で処理を行うことによって酸化膜の質が大きく向上することが判った。またこれらの処理の際には、体積の収縮も小さくSOG膜のクラック等の発生はなく良好であった。さらに、耐湿性が向上し安定したデバイスを提供できた。
【0030】
【発明の効果】以上の実施例のように、ハロゲンガスもしくはハロゲン化ガスについては、ガスに曝すこと、さらにはプラズマ中で処理を行うことによって酸化膜の質が大きく向上することが判った。またこれらの処理の際には、体積の収縮も小さくSOG膜のクラック等の発生はなく良好であった。さらに、耐湿性が向上し安定したデバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す工程断面図。
【図2】本発明の実施例を示す概念図。
【図3】本発明の実施例で用いられたエッチング装置図。
【図4】本発明の実施例で用いられたエッチング装置図。
【図5】従来の例を示す工程断面図。
【符号の説明】
101・・・シリコン基板
102・・・第1の絶縁膜
103・・・第1の配線
104・・・第2の絶縁膜
105・・・SOG
106・・・第3の絶縁膜
107・・・第2の配線
201・・・Si原子
202・・・O原子
203・・・OH基
204・・・Cl原子
401・・・印加電極
402・・・接地電極
403・・・ウエハー
404・・・RF電源
601・・・印加電極
602・・・接地電極
603・・・ウエハー
604・・・RF電源
605・・・マイクロ波電源
606・・・マグネットコイル

【特許請求の範囲】
【請求項1】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲンガス雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲンガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項3】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲン化水素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項4】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲン化炭素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項5】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲン化珪素ガスのプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項6】 半導体基板上に半導体素子が形成され、層間絶縁膜が形成される半導体装置において、1)半導体基板上に素子形成を行う工程と、2)絶縁膜を形成する工程と、3)絶縁膜を形成後、ハロゲン化ホウ素ガス(BCl3)のプラズマ雰囲気中に露呈する工程からなる事を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項7】 前記ハロゲンガスは、塩素(Cl2)であることを特徴とする請求項1ならびに請求項2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】 前記ハロゲンガスは、臭素(Br2)であることを特徴とする請求項1ならびに請求項2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項9】 前記ハロゲンガスは、ヨウ(I2)素であることを特徴とする請求項1ならびに請求項2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項10】 前記ハロゲン化水素ガスは、塩化水素ガス(HCl)であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】 前記ハロゲン化水素ガスは、臭化水素ガス(HBr)であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】 前記ハロゲン化水素ガスは、ヨウ化水素ガス(HI)であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
【請求項13】 前記ハロゲン化炭素ガスは、四塩化炭素ガス(CCl4)であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】 前記ハロゲン化炭素ガスは、四臭化炭素ガス(CBr4)であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
【請求項15】 前記ハロゲン化炭素ガスは、三塩化炭素ガス(CHCl3)であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
【請求項16】 前記ハロゲン化珪素ガスは、四塩化珪素ガス(SiCl4)であ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。
【請求項17】 前記ハロゲン化珪素ガスは、四臭化珪素ガス(SiBr4)であ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。
【請求項18】 前記ハロゲン化珪素ガスは、三塩化珪素ガス(SiHCl3)であ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。

【図1】
image rotate


【図2】
image rotate


【図3】
image rotate


【図4】
image rotate


【図5】
image rotate