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JP2000021892A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Publication number
JP2000021892A
JP2000021892A JP10181054A JP18105498A JP2000021892A JP 2000021892 A JP2000021892 A JP 2000021892A JP 10181054 A JP10181054 A JP 10181054A JP 18105498 A JP18105498 A JP 18105498A JP 2000021892 A JP2000021892 A JP 2000021892A
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JP
Japan
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wiring layer
semiconductor device
hydrogen
temperature
hydrogen annealing
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Pending
Application number
JP10181054A
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English (en)
Inventor
Tatsushi Nakajima
龍史 中島
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
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Priority to TW088109049A priority patent/TW413854B/zh
Priority to US09/325,728 priority patent/US6194311B1/en
Priority to CN99109234A priority patent/CN1127125C/zh
Priority to KR1019990024149A priority patent/KR100320891B1/ko
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置の水素熱処理による電気的な安定化
を簡便な方法でもって効率的に行うことのできるように
する。 【解決手段】ゲート酸化膜あるいはフィールド酸化膜等
の絶縁膜とシリコン基板等の半導体基板との界面領域を
電気的安定化するための水素アニール処理を初めに施
し、その後に、アルミ系金属による配線層を形成する。
そして、この水素アニール処理後の工程は全て、この水
素アニール処理の温度より低い温度の下で行う。また、
アルミ系配線層の形成後に水素アニール処理より低い温
度での合金化の処理を行う。このようにして、アルミ系
配線層の下層に位置することになる導電層(拡散層も含
むものとする)との間の合金化を行いその間の電気抵抗
を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、特に半導体装置の水素熱処理の方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の微細化に伴って、半導体装
置の構成に微細な多層配線が必須になる。現在では、こ
のような多層配線を有する半導体装置の層間絶縁膜とし
ては、上層の配線層と下層の配線層との間および同層の
配線層間の寄生容量を低減する目的から、誘電率が小さ
く品質の安定したシリコン酸化膜系の絶縁膜が主流にな
っている。
【0003】また、半導体素子が微細化してくると、配
線形成のためのコンタクト孔が下地パターンに対して自
己整合(セルフアライン)に形成されることが必須にな
る。そして、このセルフアライン技術を用いたコンタク
ト孔の形成では、層間絶縁膜がシリコン酸化膜で構成さ
れるのに対し、これに対してエッチング速度の異なるシ
リコン窒化膜でもってサイドウォール絶縁膜が形成され
る。あるいは、シリコン酸化膜とのエッチング速度の差
を利用して、シリコン窒化膜がキャパシタ電極等の形成
工程でも用いられる。
【0004】さらには、DRAMのような半導体装置で
はキャパシタの容量絶縁膜としてシリコン窒化膜が用い
られる。
【0005】しかし、半導体装置においてシリコン窒化
膜が用いられていると、半導体装置の製造において半導
体装置の安定化のために必須となる水素ガス雰囲気での
熱処理が難しくなる。これは、シリコン窒化膜が水素ガ
スの進入に対する高い阻止能力を有するためである。
【0006】以下、従来の技術として、DRAM(Dy
namic Random Access Memor
y)におけるようなキャパシタを有する半導体装置の製
造における水素熱処理(水素アロイともいう)の方法に
ついて、図3と図4に基づいて説明する。ここで、図3
は、DRAMのメモリセル部の概略断面図である。そし
て、図4は、製造工程の概略フロー図である。
【0007】図3に示すように、シリコン基板1の表面
にフィールド酸化膜2が形成され、このフィールド酸化
膜2の形成されない素子活性領域にメモリセルを構成す
るトランスファトランジスタとキャパシタとが複数個形
成されてメモリセルアレイが形成される。
【0008】トランスファトランジスタのゲート電極と
なるワード線3が所定の領域のシリコン基板上にゲート
酸化膜4を介して形成されている。なお、ワード線3a
はフィールド酸化膜2上に形成されている。このワード
線3aは隣接するメモリセルのゲート電極になってい
る。そして、メモリセルのトランスファトランジスタの
ソース・ドレイン領域となる容量用拡散層5とビット線
用拡散層6が形成されている。ここで、ワード線3,3
aは、たとえばタングステンポリサイド膜等で形成され
る。
【0009】そして、ワード線3,3a等の表面を被覆
するように第1の層間絶縁膜7が形成されている。ま
た、図示されていないが、ビット線用拡散層6に電気接
続してビット線が上記の第1の層間絶縁膜内に配設され
ている。ここで、ビット線はタングステン等で形成され
る。
【0010】そして、第1の層間絶縁膜7に設けられた
容量用コンタクト孔8を通して容量用拡散層5に電気接
続する蓄積電極9が形成されている。また、蓄積電極9
の表面に容量絶縁膜10が形成されている。ここで、こ
の容量絶縁膜10は膜厚が5nm程度のシリコン窒化膜
で形成される。
【0011】さらに、上記の容量絶縁膜10を被覆する
ようにして、プレート電極11が形成されている。そし
て、このプレート電極11の表面に第2の層間絶縁膜1
2が形成されている。なお、上記の第1の層間絶縁膜7
および第2の層間絶縁膜12はシリコン酸化膜で形成さ
れ、上記の蓄積電極9はリン不純物含有のポリシリコン
膜で、プレート電極11はリン不純物含有のポリシリコ
ン膜またはタングステンポリサイド膜でそれぞれ形成さ
れる。
【0012】そして、第2の層間絶縁膜12表面に第1
配線層13が形成され、この第1配線層を被覆するよう
にして第3の層間絶縁膜14が形成されている。さら
に、この第3の層間絶縁膜14表面に第2配線層15が
形成され、この第2配線層15を被覆するようにしてパ
ッシベーション膜16が形成されている。ここで、第1
配線層13は膜厚が400nm程度のアルミ系金属の積
層膜あるいはタングステン膜で形成され、第2配線層1
5は膜厚が1μm程度のアルミ系金属の積層膜で形成さ
れる。また、第3の層間絶縁膜14はシリコン酸化膜
で、パッシベーション膜16はシリコンオキシナイトラ
イド膜で形成される。
【0013】上記のようなメモリセル部を有する半導体
装置の製造工程の概略フローは以下のようである。
【0014】図4に示すように、図3で説明したメモリ
セルのトランスファートランジスタである絶縁ゲート電
界効果トランジスタ(MOSFET)形成が公知の方法
でもって行われる。
【0015】次に、図3で説明した容量用拡散層5に電
気接続された蓄積電極9と容量絶縁膜10と対向電極で
あるプレート電極11でもって構成されるキャパシタの
形成がなされる。ここで、容量絶縁膜10がシリコン窒
化膜で形成される。このシリコン窒化膜は、800℃程
度の反応炉内で化学気相成長(CVD)法による成膜で
もってなされる。
【0016】次に、アルミ系金属のスパッタ法による堆
積と公知のドライエッチングとにより、第1配線層の形
成が行われる。
【0017】さらに、先述したように第3の層間絶縁膜
を介して、第2配線層の形成が行われる。この場合も、
アルミ系金属のスパッタ法による堆積と公知のドライエ
ッチングとにより行われる。
【0018】このようにした後、水素アロイが行われ
る。ここで、水素アロイは、400〜450℃の炉内で
水素ガスを含む雰囲気でもって行われる。この水素アロ
イの工程で、アルミ系金属と拡散層間の合金化あるいは
他の金属との間での合金化処理が行われる。そして同時
に、ゲート酸化膜4あるいはフィールド酸化膜2等のシ
リコン酸化膜とシリコン基板1との界面領域の水素によ
る安定化がなされる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】しかし、以上に説明し
たような従来の技術では、半導体装置でのリーク電流の
問題が顕在化しその信頼性が低下してくる。また、第2
配線層15の表面に多数のアルミヒロックが発生し易く
なる。これは以下のような理由による。
【0020】すなわち、先述したように半導体装置にお
いて、半導体素子の微細化と伴いシリコン窒化膜材料の
多用が必須になってきている。しかし、シリコン窒化膜
は水素の透過に対する阻止力が非常に高い。
【0021】このような半導体装置の構造において上記
のような水素アロイが行われても、水素がこのシリコン
窒化膜に阻止されるために、図3で説明したトランスフ
ァトランジスタのゲート酸化膜4とシリコン基板1との
界面に到達しがたくなる。あるいは、同様に、水素がフ
ィールド酸化膜2とシリコン基板1との界面にも到達し
難くなる。このために、通常の水素アロイを行っても上
記の領域の界面準位を低減することが難しくなり、この
領域の電気的な安定化が難しくなる。そして、このよう
な界面準位を介するリーク電流の低減が困難になる。
【0022】このような問題は、上記キャパシタに電荷
蓄積するメモリセルの情報蓄積において顕著に現れ、メ
モリにおいて情報の保持時間が短くなってくる。特に半
導体素子が微細化されてくると顕在化してくる問題であ
る。
【0023】そこで、水素アロイの効果を出すために、
水素アロイの時間を長くしたり、その温度を高くしたり
する方法が提案されている。しかし、このような方法で
は、アルミヒロックが発生し易くなるという問題が逆に
発生してくる。
【0024】なお、上記のような水素アロイの具体的な
方法については、周知の技術として種々の方法が採られ
ている。例えば、特開昭62−174947号公報に記
載されているように、水素雰囲気のガス圧力を常圧より
高くして行う方法もある。しかし、このような方法で
は、水素アロイのための処理装置および処理法が複雑化
する。また、このような方法でも上記の問題は充分には
解決できない。
【0025】本発明の目的は、半導体装置の水素熱処理
を簡便にしかも効率的に行うことのできる半導体装置の
製造方法を提供することにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体装置の製造方法では、半導体装置の製造工程におい
て、アルミ系金属による配線層の形成工程の以前に水素
アニール処理を施す。そして、前記水素アニール処理で
半導体基板と絶縁膜との界面領域を電気的に安定化さ
せ、前記配線層形成後において前記水素アニール処理の
温度より低い温度での熱処理を施し前記アルミ系金属と
他の導電層との間で合金化させる。
【0027】あるいは、本発明の半導体装置の製造方法
では、アルミ系金属で構成される多層配線層を有する半
導体装置の製造工程において、第1配線層上に層間絶縁
膜を形成した後に水素アニール処理を施し、前記水素ア
ニール処理の工程後に第2配線層を形成する。そして、
前記第2配線層形成後において、前記水素アニール処理
の温度より低い温度での熱処理を施し前記第2配線層と
他の導電層との間で合金化させる。
【0028】本発明の半導体装置の製造方法では、半導
体装置の製造工程において、半導体素子の構成材料とな
る水素透過阻止力の高い物質、例えばシリコン窒化膜あ
るいはシリコンオキシナイトライド膜を形成した後に前
記水素アニール処理を施す。また、前記水素アニール処
理の工程後の全ての工程での温度が、前記水素アニール
処理での温度よりも低くなるように設定する。
【0029】このように本発明では、ゲート酸化膜ある
いはフィールド酸化膜等の絶縁膜とシリコン基板等の半
導体基板との界面領域を電気的に安定化するための水素
アニール処理と、アルミ系金属による配線層と下層に位
置する導電層(拡散層も含むものとする)との間の合金
化処理とを別々の工程で行う。そして、基本的には、水
素アニール処理を施した後にアルミ系金属の配線層を形
成する。このために、水素アニール処理の温度を高くし
たり処理時間を長くしてもアルミヒロックのような問題
は生じなくなる。そして、半導体装置にシリコン窒化膜
のような水素透過阻止力の高い材料があっても、上記界
面領域の電気的安定化が容易に行えるようになる。
【0030】
【発明の実施の形態】次に、本発明の第1の実施の形態
を図1および図3に基づいて説明する。図1は、本発明
の製造工程の概略フロー図である。本発明での大きな特
徴的は、先述した従来の技術と異なり、水素による上記
界面領域の安定化と金属間の合金化処理とを別の工程で
行うところにある。
【0031】従来の技術と同様に、図1に示すように、
図3で説明したメモリセルのトランスファートランジス
タであるMOSFETが形成される。そして、上記のよ
うなキャパシタの形成がなされ、図3に示す容量絶縁膜
10はシリコン窒化膜でもって形成される。このシリコ
ン窒化膜は、800℃程度の反応炉内でCVD法による
成膜でもってなされる。
【0032】次に、タングステンポリサイド膜がCVD
法あるいはスパッタ法で全面に堆積される。そして、ド
ライエッチングによるパターニングと熱処理とが施さ
れ、プレート電極11が形成される。ここで、熱処理
は、タングステンのシリサイド化を行うためのものであ
り、600℃程度の温度でなされる。このようにした
後、全面にプラズマCVD法でシリコン酸化膜が堆積さ
れ、表面が化学機械研磨(CMP)法で平坦化されて、
図3に示す第2の層間絶縁膜12が形成される。
【0033】そして、この第2の層間絶縁膜12に所定
のコンタクト孔が形成され、このコンタクト孔内へのリ
ン拡散がなされる。そして、このコンタクト孔にはチタ
ン、窒化チタンあるいはタングステン等でプラグが形成
される。
【0034】次に、図1に示す水素アニールの処理が施
される。ここで、水素アニールの温度は450〜500
℃と従来の技術の場合より高めの温度に設定される。ま
た、アニール時間は30分間程度に設定される。このよ
うにして、水素が、シリコン窒化膜で構成される容量絶
縁膜10を充分に透過できるようにする。そして、ゲー
ト酸化膜4およびフィールド酸化膜2とシリコン基板1
との界面領域の電気的な安定化が充分になされる。
【0035】以下は、従来の技術と同様にして、第1配
線層および第2配線層の形成が行われる。ここで、これ
らの配線層はチタン、アルミ金属あるいはアルミ銅合金
等の積層膜で構成される。そして、第3の層間絶縁膜1
4はプラズマCVD法でのシリコン酸化膜の堆積あるい
はSOG(スピン・オン・グラス)溶液塗布により形成
される。また、パッシベーション膜16もプラズマCV
D法の堆積で行われる。そして、上記プラズマCVDで
の温度は350〜400℃に設定される。
【0036】本発明の方法では、水素アニール後の工程
の温度は全て水素アニールの温度より低くなるように設
定される。このようにすることで、シリコン酸化膜とシ
リコン基板の界面領域に付着した水素が再離脱すること
がなくなり、界面領域の電気的安定化は保持される。
【0037】また、第1配線層13および第2配線層1
5は、コンタクト孔に充填された導電層であるタングス
テン金属等を通して、それらの下地に位置する導電層
(拡散層も含むものとする)に接続されることになる。
ここで、第1配線層13あるいは第2配線層15とコン
タクト孔に充填されたタングステン金属との合金化処理
が必要になるが、この合金化は、上記のパッシベーショ
ン膜16の形成工程で同時になされる。上記の合金化処
理はこのプラズマCVD温度で充分である。
【0038】本発明の方法では、ゲート酸化膜あるいは
フィールド酸化膜等のシリコン酸化膜とシリコン基板と
の界面領域を電気的安定化するための水素アニールは、
アルミ金属による配線層の形成工程前になされる。これ
によって、アルミヒロックの発生は全く生ぜず、しか
も、シリコン酸化膜とシリコン基板との界面領域の電気
的安定化が充分になされるようになる。
【0039】次に、本発明の第2の実施の形態を図2あ
るいは図3に基づいて説明する。図2は、本発明の製造
工程の別の概略フロー図である。この第2の実施の形態
では、第1配線層の形成後に、水素アニールが施され
る。
【0040】図2に示すように、MOSFET形成およ
びキャパシタ形成までは、第1の実施の形態で説明した
通りである。
【0041】そして、図3に示す第2の層間絶縁膜12
が形成された後、アルミ系金属あるいはタングステン等
の高融点金属でもって、第1配線層形成がなされる。そ
して、第1配線層13を被覆する第3の層間絶縁膜14
が形成される。
【0042】このようにした後に、図2に示す水素アニ
ールが施される。ここで、水素アニールの温度は400
℃程度に設定される。この場合には、アニール時間は第
1の実施の形態の場合より長くなる。これは、水素アニ
ール温度が第1の実施の形態の場合より下がるからであ
る。このようにして、水素が、シリコン窒化膜で構成さ
れる容量絶縁膜10を充分に透過できるようにする。そ
して、ゲート酸化膜4およびフィールド酸化膜2とシリ
コン基板1との界面領域の電気的安定化が充分になされ
る。なお、この場合、第1配線層13は第3の層間絶縁
膜14に完全に被覆されているためにアルミヒロックは
全く発生しない。
【0043】この水素アニールの後、第3の層間絶縁膜
14に所定のスルーホールが形成される。そして、この
スルーホールにタングステンのプラグが充填されること
になる。
【0044】以下、第1の実施の形態と同様にして、第
2配線層形成がなされる。なお、パッシベーション膜1
6の堆積温度は350℃程度に設定される。この場合
も、水素アニール後の工程の温度は水素アニールの温度
より低くなるように設定される。この理由は、第1の実
施の形態で説明した通りである。
【0045】この第2の実施の形態では、第1配線層1
3と下地金属との間の合金化処理はこの水素アニールで
行われる。そして、第2配線層15と下地金属あるいは
第1配線層13との間の合金化は、上記のパッシベーシ
ョン膜成膜のためのプラズマCVDの工程で充分になさ
れる。
【0046】この第2の実施の形態では、第1の実施の
形態で説明したのと同様の効果が生ずる。また、第1配
線層と下層の金属配線との合金化がより完全になされる
ようになる。
【0047】以上の実施の形態では、DRAMの半導体
装置の製造の場合について説明した。本発明は、このよ
うな半導体装置に限定されず、シリコン窒化膜あるいは
シリコンオキシナイトライド膜のように水素の透過阻止
力の大きな材料が用いられる半導体装置の製造において
非常に有効となる。
【0048】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の半導体
装置の製造方法では、ゲート酸化膜あるいはフィールド
酸化膜等の絶縁膜とシリコン基板等の半導体基板との界
面領域を電気的に安定化するための水素アニール処理を
初めに施し、その後に、アルミ系金属による配線層を形
成する。また、本発明では、この水素アニール処理後の
工程は全て、この水素アニール処理の温度より低い温度
の下で行う。
【0049】このために、水素アニール処理の温度を高
くしたり処理時間を長くしてもアルミヒロックのような
問題は皆無になる。そして、半導体装置にシリコン窒化
膜のような水素透過阻止力の高い材料があっても、上記
界面領域の電気的安定化が容易に行えるようになる。こ
のために、信頼性の高い半導体装置の製造が容易にな
る。
【0050】また、本発明の半導体装置の製造方法で
は、アルミ系配線層の形成後に水素アニール処理より低
い温度での合金化の処理を行う。このようにして、アル
ミ系配線層の下層に位置することになる導電層(拡散層
も含むものとする)との間の合金化を行い、その間の電
気抵抗を低減することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するための概
略工程フロー図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態を説明するための概
略工程フロー図である。
【図3】本発明を適用するための半導体装置の断面図で
ある。
【図4】従来を技術を説明するための概略工程フロー図
である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 フィールド酸化膜 3,3a ワード線 4 ゲート酸化膜 5 容量用拡散層 6 ビット線用拡散層 7 第1の層間絶縁膜 8 容量用コンタクト孔 9 蓄積電極 10 容量絶縁膜 11 プレート電極 12 第2の層間絶縁膜 13 第1配線層 14 第3の層間絶縁膜 15 第2配線層 16 パッシベーション膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体装置の製造工程において、アルミ
    系金属による配線層の形成工程の以前に水素アニール処
    理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記水素アニール処理で半導体基板と絶
    縁膜との界面領域を電気的に安定化させ、前記配線層形
    成後において前記水素アニール処理の温度より低い温度
    での熱処理を施し前記アルミ系金属と他の導電層との間
    で合金化させ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. 【請求項3】 アルミ系金属で構成される多層配線層を
    有する半導体装置の製造工程において、第1配線層上に
    層間絶縁膜を形成した後に水素アニール処理を施し、前
    記水素アニール処理の工程後に第2配線層を形成するこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第2配線層形成後において、前記水
    素アニール処理の温度より低い温度での熱処理を施し前
    記第2配線層と他の導電層との間で合金化させることを
    特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 半導体装置の製造工程において、半導体
    素子の構成材料となる水素透過阻止力の高い物質を形成
    した後に前記水素アニール処理を施すことを特徴とする
    請求項1から請求項4のうち1つの請求項に記載の半導
    体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記水素透過阻止力の高い物質がシリコ
    ン窒化膜あるいはシリコンオキシナイトライド膜である
    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。
  7. 【請求項7】 前記水素アニール処理の工程後の全ての
    工程での温度が、前記水素アニール処理での温度よりも
    低くなることを特徴とする請求項1から請求項6のうち
    1つの請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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