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JP2006128526A - Semiconductor apparatus, its manufacturing method, and manufacturing apparatus - Google Patents

Semiconductor apparatus, its manufacturing method, and manufacturing apparatus Download PDF

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JP2006128526A
JP2006128526A JP2004317419A JP2004317419A JP2006128526A JP 2006128526 A JP2006128526 A JP 2006128526A JP 2004317419 A JP2004317419 A JP 2004317419A JP 2004317419 A JP2004317419 A JP 2004317419A JP 2006128526 A JP2006128526 A JP 2006128526A
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an interlayer dielectric of multilayer wiring structure without a problem of depositing contamination, and with high flatness without spoiling electrical property. <P>SOLUTION: The method comprises a CVD process (step 1-5) of forming dopant content silicon oxide film in semi-ordinary pressure region by CVD method, and a reflowing process of reflowing the formed dopant content silicon oxide film. The CVD process is constituted by a first CVD process (step 2-4) of depositing the silicon oxide film containing dopant in high density using organic silicon system gas, dopant content organic system gas, and oxidizing gas as material gases; and a second CVD process (step 5) of depositing the silicon oxide film containing a small amount of dopant by controlling the dopant content organic system gas to be less in amount than that of the first CVD process. Problems of moisture absorption and depositing contamination caused by high density dopant, can be avoided by improving reflow ability in such a way that the dopant density is controlled in the first and second CVD processes. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置、その製造方法及び製造装置に関し、特に多層配線構造の半導体装置の層間絶縁膜に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof and a manufacturing apparatus, and more particularly to an interlayer insulating film of a semiconductor device having a multilayer wiring structure.

半導体装置の微細化が進むにつれて、層間絶縁膜を用いた多層配線構造が多用されている。多層配線構造を信頼性高く形成するためには、下層配線により発生した段差上に層間絶縁膜を形成し、CMP(Chemical Mechanical Polishing;化学的機械研磨法)を用いて平坦化させ、その平坦面上に上層配線を形成するようにしている。層間絶縁膜の平坦化は、上層配線パターニング用のレジスト露光時におけるDOF(Depth of Focus;焦点深度)のマージンの確保や、段差による上層配線のカバレージ低下を回避するために、重要な技術である。   As semiconductor devices are miniaturized, a multilayer wiring structure using an interlayer insulating film is widely used. In order to form a multilayer wiring structure with high reliability, an interlayer insulating film is formed on the step generated by the lower layer wiring, and planarized using CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the flat surface The upper layer wiring is formed on the upper side. The flattening of the interlayer insulating film is an important technique for securing a DOF (Depth of Focus) margin during resist exposure for patterning the upper layer wiring and for avoiding lower coverage of the upper layer wiring due to a step. .

層間絶縁膜の形成方法としては、例えばO/TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)準常圧CVD(準常圧は数Pa〜93000Pa程度)により、ステップカバレージの良いシリコン酸化膜を形成できることが知られている。O/TEOS材料ガス中にボロンやリン等の不純物を混合して、例えばBPSG膜(Boron-Phosphoresce Silicate glass)等のPMD膜(Pre Metal Dielectric)を形成し、800〜900℃程度の熱処理を施してリフローすることによって平坦性を向上させる方法もある。リフロー後の膜にCMPを施すと更に平坦度が増す。 As a method for forming an interlayer insulating film, it is known that a silicon oxide film with good step coverage can be formed by, for example, O 3 / TEOS (Tetraethyl Orthosilicate) quasi-normal pressure CVD (quasi-normal pressure is about several Pa to 93,000 Pa). . Impurities such as boron and phosphorus are mixed in the O 3 / TEOS material gas to form a PMD film (Pre Metal Dielectric) such as a BPSG film (Boron-Phosphoresce Silicate Glass), and heat treatment at about 800 to 900 ° C. There is also a method of improving flatness by applying and reflowing. When CMP is performed on the reflowed film, the flatness is further increased.

一方、半導体装置の微細化、動作速度の向上等が進むにつれて、不純物拡散層やポリシリコンゲート電極の表面をセルフアラインでシリサイド化し、シート抵抗を低減させるサリサイド(Self Aligned Silicide)と呼ばれる技術が用いられている。特に、高融点金属としてCoを全面に形成し、熱処理することによって、シリコン層(ポリシリコンゲート電極)の下地部分(不純物拡散層)とのみセルフアラインでシリサイド化し、未反応のCoをウエットエッチングで除去するサリサイドは、低抵抗のCoSi2が形成されるため有用である。 On the other hand, as the miniaturization of semiconductor devices and the improvement of operation speed progress, a technique called salicide (Self Aligned Silicide) is used to reduce the sheet resistance by siliciding the surface of the impurity diffusion layer and polysilicon gate electrode by self-alignment. It has been. In particular, by forming Co as a refractory metal over the entire surface and heat-treating it, silicidation occurs only with the underlying portion (impurity diffusion layer) of the silicon layer (polysilicon gate electrode) by self-alignment, and unreacted Co is wet etched. The salicide to be removed is useful because low-resistance CoSi 2 is formed.

しかし半導体装置の微細化が進むと、そのトランジスタ寸法もシュリンクされ、素子領域、および配線層間に成膜するPMD膜が埋め込まなければならない素子間隔も小さくなり、素子間隔領域でPMD膜中にボイドが発生し、その状態でコンタクトホール形成のためのドライエッチングを行うとエッチストップなどの問題が発生し、コンタクトホール形成不良が発生するという問題がある。   However, as the miniaturization of semiconductor devices progresses, the transistor dimensions are shrunk, and the element spacing in which the PMD film to be deposited between the element region and the wiring layer has to be buried becomes smaller. In the element spacing region, voids are formed in the PMD film. If dry etching is performed to form a contact hole in this state, problems such as etch stop occur, and there is a problem that defective contact hole formation occurs.

またCoSi2は耐熱性が低く、PMD膜のリフロー温度近傍でCoSiの凝集を生じ、シート抵抗が上昇するという問題がある。Coと同程度の高融点金属であるNiを用いるサリサイドでも同様の現象が起こる。CoSiの凝集が発生しない温度、例えば850℃以下でリフローするためには、PMD膜中の不純物濃度を例えばボロン5.0wt%、リン6.0wt%以上に高めるか、あるいは成膜時の圧力を数百Pa以上、例えば20000Pa以上という高い領域(高い領域とは大気圧に近い状態)にする必要がある。 Further, CoSi 2 has low heat resistance, and there is a problem that CoSi agglomerates near the reflow temperature of the PMD film and sheet resistance increases. The same phenomenon occurs with salicide using Ni, which is a high melting point metal similar to Co. In order to perform reflow at a temperature at which CoSi aggregation does not occur, for example, 850 ° C. or less, the impurity concentration in the PMD film is increased to, for example, boron 5.0 wt% or more, phosphorus 6.0 wt% or more, or the pressure during film formation is increased. It is necessary to make it a high region of several hundred Pa or more, for example 20000 Pa or more (a high region is a state close to atmospheric pressure).

ところが、PMD膜は不純物濃度が高まると吸湿性が高くなり、空気中では表面状態が不安定となる。ボロンやリン等の不純物は吸湿し易く、吸湿すると結晶化して細かい粒状物となるもので、リフロー後に膜表面を平坦化するCMP処理を施しても、欠陥、スクラッチが発生する等の問題が起こる。成膜時の圧力を高める場合は、低温、短時間の熱処理でも平坦性を向上できるが、不純物濃度を高める場合よりも更に吸湿性が高くなり、結晶化の問題がより顕著になる。つまり、ボイド抑制と異物析出とはトレードオフの関係にある。   However, the PMD film has higher hygroscopicity when the impurity concentration is increased, and the surface state becomes unstable in the air. Impurities such as boron and phosphorus are easy to absorb moisture and crystallize to form fine particles when moisture is absorbed. Even if CMP treatment is performed to flatten the film surface after reflow, problems such as defects and scratches occur. . When the pressure at the time of film formation is increased, the flatness can be improved even by heat treatment at a low temperature for a short time, but the hygroscopicity is further increased and the problem of crystallization becomes more significant than when the impurity concentration is increased. That is, void suppression and foreign matter precipitation are in a trade-off relationship.

このため、例えば特許文献1では、不純物濃度の高いPMD膜(高濃度PMD膜)の形成とリフローとを一つのチャンバーで行い、更にそのチャンバーで前記高濃度PMD膜上にシリコン酸化膜を保護膜として形成することにより、吸湿による析出異物の問題を解決している。   For this reason, in Patent Document 1, for example, a PMD film having a high impurity concentration (high concentration PMD film) is formed and reflowed in one chamber, and a silicon oxide film is further formed on the high concentration PMD film as a protective film in the chamber. As a result, the problem of precipitated foreign matter due to moisture absorption is solved.

また特許文献2では、高濃度PMD膜上に不純物を含まないシリコン酸化膜を形成した後にリフロー処理を施すことにより、不純物不含のシリコン酸化膜をPMD膜と空気との反応を抑えるキャップ膜として機能させ、異物の析出の問題を解決している。
特開平10−312998号公報 特開平9−106985号公報
In Patent Document 2, a silicon oxide film not containing impurities is formed on a high-concentration PMD film and then subjected to a reflow process, whereby the silicon oxide film containing no impurities is used as a cap film that suppresses the reaction between the PMD film and air. It works and solves the problem of foreign matter precipitation.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-312998 JP-A-9-106985

特許文献1の技術では、上記したように高濃度PMD膜の成膜とリフローとシリコン酸化膜の成膜という3つの処理を同一チャンバーで行っており、その際のPMD膜の成膜温度、リフロー温度、シリコン酸化膜の成膜温度はそれぞれ異なるため、処理対象物をランプ加熱によって所定温度に制御する温度制御を行っている。ところが、温度変化には時間がかかるため生産性の低下を招くことになり、生産性を補うためにはチャンバー等の装置の台数を増加させざるを得ないという問題がある。また温度変化によって、チャンバー内壁等に堆積されたPMD膜とシリコン酸化膜との積層膜に熱ストレスが加わり、膜剥離が起こり、そのパーティクルが処理対象物に付着する問題もある。   In the technology of Patent Document 1, as described above, the three processes of high concentration PMD film formation, reflow, and silicon oxide film formation are performed in the same chamber, and the PMD film formation temperature and reflow at that time are performed. Since the temperature and the deposition temperature of the silicon oxide film are different from each other, temperature control is performed to control the object to be processed to a predetermined temperature by lamp heating. However, since it takes time to change the temperature, the productivity is lowered, and there is a problem that the number of devices such as chambers must be increased in order to supplement the productivity. Further, there is a problem that thermal stress is applied to the laminated film of the PMD film and the silicon oxide film deposited on the inner wall of the chamber due to temperature change, film peeling occurs, and the particles adhere to the object to be processed.

特許文献2の技術では、高濃度PMD膜上のシリコン酸化膜の膜厚が厚くなると、リフローさせても高い平坦性を得ることができない。単に平坦性を得るリフローは高温熱処理によって可能であるが、Technology Nodeが進んだ半導体装置を製造する場合には、高温熱処理によって不純物拡散層の不純物のプロファイルが変わってしまい、所望の電気特性が得られなくなるので、リフロー温度の高温化という手法をリフロー特性の改善に用いることはできないのである。   With the technique of Patent Document 2, when the silicon oxide film on the high-concentration PMD film becomes thick, high flatness cannot be obtained even if reflow is performed. Reflow that simply achieves flatness is possible by high-temperature heat treatment, but when manufacturing semiconductor devices with advanced technology nodes, the impurity profile of the impurity diffusion layer changes due to high-temperature heat treatment, and desired electrical characteristics are obtained. Therefore, the method of increasing the reflow temperature cannot be used to improve the reflow characteristics.

本発明は上記問題を解決するもので、多層配線構造の層間絶縁膜を、析出異物の問題なく、また電気特性を損なうことなく、平坦性高く形成することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to form an interlayer insulating film having a multilayer wiring structure with high flatness without causing a problem of precipitated foreign matter and without impairing electric characteristics.

本発明者らは上記問題を解決すべく研究した結果、析出異物を顕在化させる不純物濃度は、リフロー性を損なわせない不純物濃度に比べて高いことを見出し、これらの不純物濃度の差を利用して膜質を制御することで、析出異物を顕在化させることなく、膜の平坦性を確保するに至った。   As a result of researches to solve the above problems, the present inventors have found that the impurity concentration that reveals the deposited foreign matter is higher than the impurity concentration that does not impair the reflow property, and utilizes the difference between these impurity concentrations. By controlling the film quality, the flatness of the film was ensured without revealing the deposited foreign matter.

すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、下層配線と上層配線との間に層間絶縁膜として不純物含有シリコン酸化膜を配した多層配線構造の半導体装置の製造方法であって、前記不純物含有シリコン酸化膜をCVD法により形成するCVD工程と、形成された不純物含有シリコン酸化膜をリフローするリフロー工程とを含み、前記CVD工程は、有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスとを材料ガスとして、不純物を高濃度に含有したシリコン酸化膜を成膜する第一のCVD工程と、不純物含有有機系ガスを前記第一のCVD工程よりも低量に制御して、微量の不純物を含有したシリコン酸化膜を成膜する第二のCVD工程とで構成されることを特徴とする。   That is, the manufacturing method of a semiconductor device of the present invention is a manufacturing method of a semiconductor device having a multilayer wiring structure in which an impurity-containing silicon oxide film is disposed as an interlayer insulating film between a lower layer wiring and an upper layer wiring, the impurity-containing silicon A CVD process for forming an oxide film by a CVD method; and a reflow process for reflowing the formed impurity-containing silicon oxide film. The CVD process includes an organic silicon-based gas, an impurity-containing organic gas, and an oxidizing gas. As a material gas, a first CVD process for forming a silicon oxide film containing impurities at a high concentration, and an impurity-containing organic gas are controlled to be lower than those in the first CVD process, so that a small amount of impurities can be removed. It is characterized by comprising the second CVD step of forming the contained silicon oxide film.

不純物含有シリコン酸化膜を15000Paから100000Paの圧力領域で形成することを特徴とする。リフロー性は一般に不純物濃度および成膜圧力に依存しており、150000Pa〜100000Paの圧力領域で成膜された膜のリフロー性は高くなるからである。   The impurity-containing silicon oxide film is formed in a pressure region of 15000 Pa to 100,000 Pa. This is because the reflow property generally depends on the impurity concentration and the film forming pressure, and the reflow property of the film formed in the pressure region of 150,000 Pa to 100,000 Pa becomes high.

不純物含有有機系ガスが、少なくともボロンとリンのいずれかを成分とした有機系ガスの内の一種または複数種であり、第二のCVD工程で成膜される不純物含有シリコン酸化膜について、表面に接触する水に対してボロンとリンがそれぞれ溶解する溶解量の許容値を決め、前記許容値以下となる不純物含有有機系ガスの成膜槽内濃度を予め求め、前記成膜槽内濃度となるように不純物含有有機系ガスの流量を制御することを特徴とする。   The impurity-containing organic gas is one or more of organic gases containing at least one of boron and phosphorus, and the impurity-containing silicon oxide film formed in the second CVD process is formed on the surface. The allowable value of the dissolution amount of boron and phosphorus dissolved in the water in contact with each other is determined, and the concentration in the film forming tank of the impurity-containing organic gas that is equal to or lower than the allowable value is obtained in advance and becomes the concentration in the film forming tank. Thus, the flow rate of the impurity-containing organic gas is controlled.

第二のCVD工程で成膜される不純物含有シリコン酸化膜が、膜厚10nm以下であり、表面に接触する水に対して、ボロン0.00020μg/cm2以下、もしくは、リン0.010μg/cm2以下、もしくは、ボロンおよびリン0.01μg/cm2以下が溶解する不純物含有量であることを特徴とする。上記した膜厚範囲で良好なリフロー性が得られ、また上記した不純物含有量範囲で異物析出の問題を回避できる。 The impurity-containing silicon oxide film formed in the second CVD process has a film thickness of 10 nm or less, and is less than 0.0020 μg / cm 2 of boron or 0.010 μg / cm of phosphorus with respect to water in contact with the surface. The impurity content is 2 or less, or boron and phosphorus of 0.01 μg / cm 2 or less. Good reflow properties can be obtained in the above-described film thickness range, and foreign matter precipitation can be avoided in the above-described impurity content range.

本発明の半導体装置製造装置は、有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスのそれぞれを成膜槽に供給する配管を有し、前記不純物含有有機系ガスの配管は有機シリコン系ガスの配管に比べて、ガス流量を所望量に制御するために介装した流量制御装置から成膜槽までの配管長さが短いことを特徴とする。   The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention has a pipe for supplying each of an organic silicon-based gas, an impurity-containing organic gas, and an oxidizing gas to a film forming tank, and the pipe of the impurity-containing organic gas is an organic silicon-based gas Compared to this pipe, the pipe length from the flow control device interposed to control the gas flow rate to a desired amount to the film formation tank is short.

本発明の半導体装置は、下層配線と上層配線との間に層間絶縁膜として不純物含有シリコン酸化膜を配した多層配線構造の半導体装置であって、前記不純物含有シリコン酸化膜が、下層配線により発生した段差上に有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスとを材料ガスとして形成され、下層配線側に不純物を高濃度に含有し、上層配線側に微量の不純物を含有したことを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a multilayer wiring structure in which an impurity-containing silicon oxide film is arranged as an interlayer insulating film between a lower layer wiring and an upper layer wiring, and the impurity-containing silicon oxide film is generated by the lower layer wiring. An organic silicon gas, an impurity-containing organic gas, and an oxidizing gas are formed as material gases on the stepped portion, and a high concentration of impurities are contained on the lower wiring side and a small amount of impurities are contained on the upper wiring side. Features.

本発明の半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜としての不純物含有シリコン酸化膜を2段階で形成し、その第1段階において不純物を高濃度に制御することでリフロー性を向上させ、それにより発生する吸湿、析出異物の問題を、第2段階において不純物を微量に制御することで、さらには膜厚をも制御することで、回避するようにしたものであり、素子形成部と電気的信号を伝える配線層とを備えたトランジスタ等の多層配線構造の層間絶縁膜を、析出異物の問題なく、また電気特性を損なうことなく、平坦性高く形成することができる。よって、素子間隔が微細化された半導体装置も高い歩留まりで得られる。   The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention forms an impurity-containing silicon oxide film as an interlayer insulating film in two stages, and improves the reflow property by controlling the impurity to a high concentration in the first stage. The problem of moisture absorption and deposited foreign matter is avoided by controlling the amount of impurities in the second stage, and also by controlling the film thickness. An interlayer insulating film having a multilayer wiring structure such as a transistor having a wiring layer for transmission can be formed with high flatness without a problem of precipitated foreign matter and without impairing electrical characteristics. Therefore, a semiconductor device in which element spacing is miniaturized can be obtained with a high yield.

2段階の成膜を行った後にリフローすればよいので、温度管理が容易であり、生産性は低下しない。グローバル段差を緩和するために層間絶縁膜の形成後に行うCMP(化学的機械的研磨)の処理時間も短縮することができ、CMP装置の生産性向上にも大きく寄与する。   Since it is sufficient to perform reflow after film formation in two stages, temperature control is easy and productivity does not decrease. The CMP (chemical mechanical polishing) processing time performed after the formation of the interlayer insulating film to alleviate the global step can be shortened, which greatly contributes to the improvement of the productivity of the CMP apparatus.

この方法を実施する本発明の半導体装置製造装置は、従来装置に若干の変更を加えることで実現できるものであり、新たな追加投資は必要なく、従来の半導体装置製造装置、半導体製造ラインの延命が可能である。   The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention that implements this method can be realized by making a slight modification to the conventional device, and does not require any additional investment, extending the life of the conventional semiconductor device manufacturing apparatus and semiconductor manufacturing line. Is possible.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図1は半導体装置の一部、詳細にはトランジスタのゲート構造、より詳細にはポリメタルゲート構造を示す断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a semiconductor device, specifically a gate structure of a transistor, more specifically a polymetal gate structure.

図1において、半導体基板(ウエーハ)1の上に、ポリシリコン電極2(70nm)、窒化チタン膜3(15nm)、タングステン膜4(100nm)、窒化チタン膜5(15nm)が形成され、その上にシリコン窒化膜6(100nm)、SiON膜7(50nm)が形成されている。そしてゲート電極を形成するために、所定のレジストパターンニングとドライエッチングとが施されている。   In FIG. 1, a polysilicon electrode 2 (70 nm), a titanium nitride film 3 (15 nm), a tungsten film 4 (100 nm), and a titanium nitride film 5 (15 nm) are formed on a semiconductor substrate (wafer) 1. A silicon nitride film 6 (100 nm) and a SiON film 7 (50 nm) are formed. In order to form the gate electrode, predetermined resist patterning and dry etching are performed.

さらに、SAC(Self Alien Contact)用のスペーサー膜として、シリコン窒化膜8(40nm)が形成されている。このシリコン窒化膜8の成膜にはLP−CVD法が用いられるので、巻き込み酸化によってゲート電極部のタングステン4が酸化されるのを防止する目的で、シリコン窒化膜8に先立って、400℃以下の成膜温度で成膜できるカバレージの良好な絶縁膜9(20nm程度)が酸化防止膜として形成されている。このような構造における埋め込み寸法は150nm程度である。   Further, a silicon nitride film 8 (40 nm) is formed as a spacer film for SAC (Self Alien Contact). Since the LP-CVD method is used for forming the silicon nitride film 8, 400 ° C. or lower is provided prior to the silicon nitride film 8 for the purpose of preventing the tungsten 4 in the gate electrode portion from being oxidized by the entanglement oxidation. An insulating film 9 (about 20 nm) with good coverage that can be formed at the film forming temperature is formed as an antioxidant film. The embedding size in such a structure is about 150 nm.

そして、シリコン窒化膜8の上に不純物含有シリコン酸化膜たるBPSG膜10が成膜され、埋め込み性を向上させるために窒素、酸素、水素雰囲気中でアニール処理が施されている。このBPSG膜10の膜厚は、パターン、埋め込むべき領域、深さなどに応じて決められるが、ここでは厚み500nm程度に形成されている。このBPSG膜10には、ボロン4.0wt%、リン6.0wt%と、非常に高い濃度で不純物が含有されている。   Then, a BPSG film 10 which is an impurity-containing silicon oxide film is formed on the silicon nitride film 8 and annealed in a nitrogen, oxygen or hydrogen atmosphere in order to improve the embedding property. The film thickness of the BPSG film 10 is determined in accordance with the pattern, the region to be embedded, the depth, etc., but here it is formed to a thickness of about 500 nm. The BPSG film 10 contains impurities at a very high concentration of boron 4.0 wt% and phosphorus 6.0 wt%.

高濃度不純物含有BPSG膜10の上には、微量の不純物を含有したシリコン酸化膜たるBPSG膜11が形成されている。このBPSG膜11は、高いリフロー性を確保するために膜厚10nm以下が望ましく、ここでは厚み5nmに形成されている。BPSG膜11は、所定の条件で表面に接触する水に対して、ボロン0.00020μg/cm2以下、もしくは、リン0.010μg/cm2以下、もしくは、ボロンおよびリン0.01μg/cm2以下が溶解する不純物含有量である。 On the high-concentration impurity-containing BPSG film 10, a BPSG film 11 which is a silicon oxide film containing a small amount of impurities is formed. The BPSG film 11 desirably has a thickness of 10 nm or less in order to ensure high reflow properties, and is formed here with a thickness of 5 nm. BPSG film 11, to the water in contact with the surface at a predetermined condition, boron 0.00020μg / cm 2 or less, or, phosphorus 0.010 / cm 2 or less, or, boron and phosphorus 0.01 [mu] g / cm 2 or less Is an impurity content to dissolve.

上記したポリメタルゲート構造部分を操作型電子顕微鏡により観察したところ、BPSG膜11は良好なリフロー性を示していて、ゲート電極間のスペースにもボイドの発生は見られない。なお観察前には、デコレーション処理としてBHF1:10、10秒間のウエットエッチング処理を行っている。   When the above-described polymetal gate structure portion was observed with an operation electron microscope, the BPSG film 11 showed good reflow properties, and no void was observed in the space between the gate electrodes. Before the observation, a wet etching process of BHF 1:10 for 10 seconds is performed as a decoration process.

この観察結果は、上記したようにBulk側の不純物濃度が高い膜構造とすることにより、リフロー性の劣化を招くことなく、大気中の水分や成膜後の洗浄処理雰囲気中の水分による異物析出を回避できることを示すものである。このことを図2によりさらに説明する。   This observation result shows that the film structure having a high impurity concentration on the Bulk side, as described above, does not cause deterioration in reflow characteristics, so that foreign matter is precipitated due to moisture in the atmosphere and moisture in the cleaning treatment atmosphere after film formation. It is shown that can be avoided. This will be further described with reference to FIG.

図2は絶縁膜(PMD膜)における欠陥数と不純物の析出量との相関を示す。
サンプルは、シリコン酸化膜(不純物高濃度層800nm、低濃度層5.0nm)を半導体基板(200mm基板)上に成膜し、大気暴露したものである。成膜条件は基板温度450℃、成膜圧力25000Paである。
FIG. 2 shows the correlation between the number of defects in the insulating film (PMD film) and the amount of impurities deposited.
The sample is a silicon oxide film (impurity high concentration layer 800 nm, low concentration layer 5.0 nm) formed on a semiconductor substrate (200 mm substrate) and exposed to the atmosphere. The film formation conditions are a substrate temperature of 450 ° C. and a film formation pressure of 25000 Pa.

縦軸に示した欠陥数(a.u.)は、レーザー等の光学系を備えた欠陥評価装置を用いて、サンプル1枚あたりに存在する0.20μm以上の欠陥、つまりリン、ボロンが大気中の水分等と反応して生成したP、Bの析出物、を検出した結果である。 The number of defects (au) shown on the vertical axis indicates the amount of defects of 0.20 μm or more present per sample, that is, phosphorus and boron in the atmosphere using a defect evaluation apparatus equipped with an optical system such as a laser. This is a result of detecting precipitates of P 2 O 5 and B 2 O 3 produced by reacting with the above.

横軸に示した不純物の析出量(μg)は、純水2mlをサンプル上に滴下し、2分間放置した後に回収したものを分析検体として、誘導結合プラズマ質量分析(ICP−MS)によって定量分析した結果であり、純水中に溶け込んだボロン、リンそれぞれのサンプル1枚あたりの溶解量を表わしている。なおサンプル上に滴下した純水は、表面が親水性であるためサンプル全面に広がる。   The amount of precipitated impurities (μg) shown on the horizontal axis is quantitatively analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) using 2 ml of pure water dropped on the sample and allowed to stand for 2 minutes and then recovered. The result shows the dissolved amount of each sample of boron and phosphorus dissolved in pure water. The pure water dropped on the sample spreads over the entire sample surface because the surface is hydrophilic.

図2において、ボロンは析出量が0.05μgを超えると、またリンは析出量が3.0μgを超えると、欠陥数が急激に増加している。換言すると、ボロン0.05μg以下、リン3.0μg以下であれば析出異物が抑制されている。   In FIG. 2, when the precipitation amount of boron exceeds 0.05 μg, and the precipitation amount of phosphorus exceeds 3.0 μg, the number of defects increases rapidly. In other words, precipitated foreign matter is suppressed when boron is 0.05 μg or less and phosphorus is 3.0 μg or less.

したがって、表面に接触する水に対する溶解量が、ボロン0.05μg(約0.00020μg/cm2)以下、もしくはリン3.0μg(約0.010μg/cm2)以下、もしくはボロンおよびリン0.01μg/cm2以下の不純物含有量となる絶縁膜を形成することにより、大気中の水分や成膜後の洗浄処理による析出異物の問題を回避し、優れた熱処理リフロー特性を実現できると言える。この結果は、上記したように膜厚5.0nmで得られたものであるが、膜厚10nm以下であればリフロー性が損なわれることはない。 Accordingly, the amount dissolved in water contacting the surface is 0.05 μg or less of boron (about 0.0020 μg / cm 2 ) or less than 3.0 μg of phosphorus (about 0.010 μg / cm 2 ) or 0.01 μg of boron and phosphorus. By forming an insulating film having an impurity content of not more than / cm 2, it can be said that the problem of moisture in the atmosphere and the deposit foreign matter due to the cleaning treatment after film formation can be avoided, and excellent heat treatment reflow characteristics can be realized. Although this result was obtained with a film thickness of 5.0 nm as described above, the reflow property is not impaired if the film thickness is 10 nm or less.

本発明の半導体装置製造装置について説明する。
図3に示す半導体装置製造装置は、上記したような絶縁膜(PMD膜)を成膜するCVD装置である。
The semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention will be described.
The semiconductor device manufacturing apparatus shown in FIG. 3 is a CVD apparatus for forming an insulating film (PMD film) as described above.

チャンバー101内には、処理対象の半導体基板102を設置するためのサセプター103と、半導体基板102に材料ガスを均一に供給するためのシャワーヘッド104とが設置されている。サセプター103には、半導体基板102を加熱するためのヒーター等の加熱機構が内蔵されている。ただしPMD膜に関しては、このサセプター103内の加熱機構による抵抗加熱方式を用いてもよいし、サセプター103の近傍にランプ(図示せず)を設けて直接に加熱するランプ加熱方式を用いてもよい。   In the chamber 101, a susceptor 103 for installing a semiconductor substrate 102 to be processed and a shower head 104 for uniformly supplying a material gas to the semiconductor substrate 102 are installed. The susceptor 103 incorporates a heating mechanism such as a heater for heating the semiconductor substrate 102. However, for the PMD film, a resistance heating method using a heating mechanism in the susceptor 103 may be used, or a lamp heating method in which a lamp (not shown) is provided in the vicinity of the susceptor 103 to directly heat the PMD film may be used. .

チャンバー101外には、真空配管105を通じてチャンバー101内の圧力を制御する真空ポンプ106が設置されている。真空配管105にはスロットルバルブ107、メインバルブ108が介装されている。スロットルバルブ107は成膜中の圧力を制御するためのものであるが、多種多様に存在するスロットルバルブの内のどのような方式のものを用いても問題はない。   Outside the chamber 101, a vacuum pump 106 that controls the pressure in the chamber 101 through a vacuum pipe 105 is installed. A throttle valve 107 and a main valve 108 are interposed in the vacuum pipe 105. The throttle valve 107 is for controlling the pressure during film formation, but there is no problem even if any of the various types of throttle valves is used.

チャンバー101外にはまた、シャワーヘッド104に材料ガスを供給する第1の材料ガス供給系109と第2の材料ガス供給系110とが設けられている。
第1の材料ガス供給系109は、O供給源に接続したO用の配管111を有している。第2の材料ガス供給系110は、TEOS供給源に接続したTEOS用配管112と、TEB供給源に接続したTEB用配管113と、TEPO供給源に接続したTEPO用配管114と、これらが連通した主管115とを有している。この第2の材料ガス供給系110には3系統の配管112,113,114のみ設けられているが、必要な材料ガスの種類に応じて増設すればよい。
A first material gas supply system 109 and a second material gas supply system 110 that supply material gas to the shower head 104 are also provided outside the chamber 101.
The first material gas supply system 109 has an O 3 pipe 111 connected to an O 3 supply source. The second material gas supply system 110 includes a TEOS pipe 112 connected to the TEOS supply source, a TEB pipe 113 connected to the TEB supply source, and a TEPO pipe 114 connected to the TEPO supply source. Main pipe 115. The second material gas supply system 110 is provided with only three systems of pipes 112, 113, and 114, but may be added according to the type of material gas required.

主管115にはメインバルブ116が設置されている。その他の配管には、管路を開閉する第1のバルブ117が設置され、その上流にガス流量を制御するためのマスフローコントローラ118が設置され、マスフローコントローラ118の上流直近に第2のバルブ119が設けられている。メインバルブ116,第1および第2のバルブ117,119は、材料ガスによるパーティクルの低減、材料ガスの供給安定化、安全対策の一環としての緊急遮断弁に活用される。   A main valve 116 is installed in the main pipe 115. In other piping, a first valve 117 for opening and closing the pipe line is installed, a mass flow controller 118 for controlling the gas flow rate is installed upstream thereof, and a second valve 119 is installed immediately upstream of the mass flow controller 118. Is provided. The main valve 116 and the first and second valves 117 and 119 are used as emergency shut-off valves as part of particle gas reduction, material gas supply stabilization, and safety measures.

材料ガス量の制御性、応答性は、膜中の不純物含有量の制御性を向上させるための重要な要素である。そのため、第2の材料ガス供給系110におけるマスフローコントローラ118からチャンバー101までの配管長さは、TEOS用の配管112に比べて不純物用の配管113,114が短く設定されていて、配管113,114内の不純物量の影響が低減されるようになっている。半導体基板102のさらなる大口径化が進み、枚葉単位での管理が必要になった場合に特に有用な構成と言える。   The controllability and responsiveness of the material gas amount are important factors for improving the controllability of the impurity content in the film. Therefore, the pipe length from the mass flow controller 118 to the chamber 101 in the second material gas supply system 110 is set so that the impurity pipes 113 and 114 are shorter than the pipe 112 for TEOS. The effect of the amount of impurities inside is reduced. This can be said to be a particularly useful configuration when the diameter of the semiconductor substrate 102 is further increased and management in units of single wafers becomes necessary.

マスフローコントローラ118には、実流量、制御信号、バルブ116,117,119の開閉の信号をモニタリングするためのロギングシステム(制御系)120が設置されている。このロギングシステム120を備えることにより、半導体基板102の枚葉での状態管理を行うことができ、異常成膜を早期に察知し、異常成膜が起きた半導体基板を選別するのが可能になると共に、装置異常を早期に検出することが可能になる。   The mass flow controller 118 is provided with a logging system (control system) 120 for monitoring an actual flow rate, a control signal, and signals for opening and closing the valves 116, 117, and 119. By providing this logging system 120, it is possible to manage the state of the semiconductor substrate 102 on a single wafer, to detect abnormal film formation at an early stage, and to select a semiconductor substrate on which abnormal film formation has occurred. At the same time, it is possible to detect an apparatus abnormality at an early stage.

これと同様の目的で、チャンバー101に脱ガス分析装置121も設置されている。脱ガス分析装置121を備えることにより、成膜初期のチャンバー101内の不純物濃度を制御することができ、分析結果をマスフローコントローラ118にフィードバックすることが可能である。   A degassing analyzer 121 is also installed in the chamber 101 for the same purpose. By providing the degassing analyzer 121, it is possible to control the impurity concentration in the chamber 101 at the initial stage of film formation, and to feed back the analysis result to the mass flow controller 118.

これらロギングシステム120や脱ガス分析装置121は、不純物濃度を厳密にコントロールする必要があるため設置しているのであるが、マスフローコントローラ118が高性能であったり、あるいは成膜プログラムの応答時間、制御性が優れていれば、これらのモニタリングシステムは必ずしも必要ではない。   The logging system 120 and the degassing analyzer 121 are installed because it is necessary to strictly control the impurity concentration. However, the mass flow controller 118 has high performance or the response time and control of the film forming program. These monitoring systems are not necessarily required if the performance is excellent.

図4に示す成膜プロファイルを参照しながら絶縁膜の形成方法を説明する。横軸は時間を示し、縦軸は各成分ガスの供給の有無を示す。
(ステップ1)
処理対象の半導体基板102をサセプター103上に設置し、所望の基板温度になるように加熱する。
An insulating film forming method will be described with reference to the film forming profile shown in FIG. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates whether or not each component gas is supplied.
(Step 1)
A semiconductor substrate 102 to be processed is placed on a susceptor 103 and heated to a desired substrate temperature.

その際のチャンバー101内の雰囲気は、真空、大気のどちらでも構わないが、絶縁膜(PMD膜)の成膜は100から80000Pa台の準常圧領域で行うため、この成膜圧力領域で半導体基板102を加熱するのが望ましい。   At this time, the atmosphere in the chamber 101 may be either vacuum or air. However, since the insulating film (PMD film) is formed in the quasi-atmospheric pressure region of 100 to 80,000 Pa, the semiconductor is used in this film forming pressure region. It is desirable to heat the substrate 102.

ここではTEOSガスを500sccmで流すものとし、その場合には所望のプロセス圧力、たとえば25000Paになるように圧力制御を行い、基板温度を400℃以上にするのが望ましいので、基板温度450℃まで加熱する。基板温度が450℃に達したら次のステップへと移行する。   Here, it is assumed that the TEOS gas is flowed at 500 sccm, and in that case, it is desirable to control the pressure so that a desired process pressure becomes, for example, 25000 Pa, and to set the substrate temperature to 400 ° C. or higher. To do. When the substrate temperature reaches 450 ° C., the process proceeds to the next step.

(ステップ2)
次に、TEOSで形成される膜中へボロンをドーピングするためのTEBガスを160sccmで流す。これによりBulk側のボロン濃度が高くなる。TEBガスのみを流すのは、TEBは流量制御性が悪く、また次ステップでTEPOと酸化剤であるOとを流した時にドーパントのボロンがTEPO、TEOSと反応して膜のBulk側の濃度が低くなるため、TEPO、TEOSの少し前に供給開始するのである。チャンバー101の大きさや各成分のガスの流量にもよるが、このステップ2は20秒程度必要である。
(Step 2)
Next, a TEB gas for doping boron into the film formed of TEOS is flowed at 160 sccm. Thereby, the boron concentration on the Bulk side is increased. Only TEB gas is flown because the flow rate controllability of TEB is poor, and when TEPO and O 3 which is an oxidizing agent are flowed in the next step, the boron of the dopant reacts with TEPO and TEOS and the concentration on the Bulk side of the film Therefore, the supply starts slightly before TEPO and TEOS. Depending on the size of the chamber 101 and the flow rate of each component gas, this step 2 requires about 20 seconds.

(ステップ3)
次に、TEPOとOガスとを5000Sccmで流す。このステップ3は所望の膜厚が得られる時間とする。
(ステップ4)
そしてTEBとTEPOの供給を停止する。このステップ4で、ボロン、リンを高濃度に含んだシリコン酸化膜(高濃度BPSG膜)の成膜が完了する。
(Step 3)
Next, TEPO and O 3 gas are flowed at 5000 Sccm. Step 3 is a time for obtaining a desired film thickness.
(Step 4)
Then, the supply of TEB and TEPO is stopped. In step 4, the formation of the silicon oxide film (high concentration BPSG film) containing boron and phosphorus at a high concentration is completed.

(ステップ5)
TEOSとOガスとは、さらに形成される膜の膜厚が5nmになるように成膜時間を予め調整し、停止させる。これらTEOSとOガスとを供給する間には、配管113,114,115内に残留しているTEB、TEPOも供給されるので、微少のボロン、リンを含んだシリコン酸化膜が成膜される。配管113,114,115内に適量のTEB、TEPOが残留しないことが予めわかっている場合には、TEOSとOガスとを供給し続ける間に、TEB、TEPOも極微量流せばよい。成膜終了後に、チャンバー101から排気し、半導体基板102を取り出す。
(Step 5)
TEOS and O 3 gas are stopped by adjusting the film formation time in advance so that the film thickness of the film to be formed is 5 nm. While the TEOS and O 3 gas are supplied, TEB and TEPO remaining in the pipes 113, 114, and 115 are also supplied, so that a silicon oxide film containing minute boron and phosphorus is formed. The If it is known in advance that appropriate amounts of TEB and TEPO do not remain in the pipes 113, 114, and 115, a very small amount of TEB and TEPO may be allowed to flow while continuing to supply TEOS and O 3 gas. After film formation, the chamber 101 is evacuated and the semiconductor substrate 102 is taken out.

本発明の半導体装置は、以上のような絶縁膜(PMD膜)を含んだ多層構造を有して形成される。絶縁膜は、最後のステップで成膜される膜の膜質により、大気中の水分や成膜後の洗浄処理による析出異物がなく、優れた熱処理リフロー特性を示し、平坦性を備えたものとなる。   The semiconductor device of the present invention is formed to have a multilayer structure including the insulating film (PMD film) as described above. Insulating film has excellent heat treatment reflow characteristics and flatness due to the film quality of the film formed in the last step, free from moisture in the atmosphere and deposited foreign matter due to cleaning treatment after film formation. .

なお、上記したTEOS、TEB、TEPO、Oガスの流量は、上述した所望のボロン、リン濃度になるように設定される好適な流量の一例であり、これに限定されるものではない。 Note that the flow rates of the above-described TEOS, TEB, TEPO, and O 3 gases are examples of suitable flow rates set to achieve the above-described desired boron and phosphorus concentrations, and are not limited thereto.

本発明の半導体装置の製造方法及び製造装置は、多層配線構造の層間絶縁膜を、析出異物の問題なく、平坦性高く形成することができ、素子間隔が微細化された半導体装置の製造に特に有用である。   The method and apparatus for manufacturing a semiconductor device according to the present invention can form an interlayer insulating film having a multilayer wiring structure with high flatness without a problem of deposited foreign matter, and particularly for manufacturing a semiconductor device in which element spacing is miniaturized. Useful.

半導体装置のポリメタルゲート構造を示す断面図Sectional view showing the polymetal gate structure of a semiconductor device 絶縁膜における不純物の析出量と欠陥数との相関を示すグラフA graph showing the correlation between the amount of deposited impurities and the number of defects in an insulating film 本発明の一実施形態における半導体装置製造装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における半導体装置製造法の成膜プロファイルを示す概念図The conceptual diagram which shows the film-forming profile of the semiconductor device manufacturing method in one Embodiment of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ポリシリコン電極
3 窒化チタン膜
4 タングステン膜
5 窒化チタン膜
6 シリコン窒化膜
7 SiON膜
8 シリコン窒化膜
9 絶縁膜
10 BPSG膜
11 BPSG膜
101 チャンバー
102 半導体基板
104 シャワーヘッド
112 TEOS用配管
113 TEB用配管
114 TEPO用配管
118 マスフローコントローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Polysilicon electrode 3 Titanium nitride film 4 Tungsten film 5 Titanium nitride film 6 Silicon nitride film 7 SiON film 8 Silicon nitride film 9 Insulating film 10 BPSG film 11 BPSG film 101 Chamber 102 Semiconductor substrate 104 Shower head 112 TEOS piping 113 TEB piping 114 TEPO piping 118 Mass flow controller

Claims (6)

下層配線と上層配線との間に層間絶縁膜として不純物含有シリコン酸化膜を配した多層配線構造の半導体装置の製造方法であって、
前記不純物含有シリコン酸化膜をCVD法により形成するCVD工程と、
形成された不純物含有シリコン酸化膜をリフローするリフロー工程とを含み、
前記CVD工程は、
有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスとを材料ガスとして、不純物を高濃度に含有したシリコン酸化膜を成膜する第一のCVD工程と、
不純物含有有機系ガスを前記第一のCVD工程よりも低量に制御して、微量の不純物を含有したシリコン酸化膜を成膜する第二のCVD工程とで構成される
半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure in which an impurity-containing silicon oxide film is disposed as an interlayer insulating film between a lower layer wiring and an upper layer wiring,
A CVD step of forming the impurity-containing silicon oxide film by a CVD method;
Reflow process of reflowing the formed impurity-containing silicon oxide film,
The CVD process includes
A first CVD step of forming a silicon oxide film containing impurities at a high concentration using an organic silicon-based gas, an impurity-containing organic gas, and an oxidizing gas as a material gas;
A method of manufacturing a semiconductor device comprising: a second CVD step of forming a silicon oxide film containing a trace amount of impurities by controlling an impurity-containing organic gas to a lower amount than in the first CVD step.
不純物含有シリコン酸化膜を15000Paから100000Paの圧力領域で形成する請求項1記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity-containing silicon oxide film is formed in a pressure region of 15000 Pa to 100000 Pa. 不純物含有有機系ガスが、少なくともボロンとリンのいずれかを成分とした有機系ガスの内の一種または複数種であり、第二のCVD工程で成膜される不純物含有シリコン酸化膜について、表面に接触する水に対してボロンとリンがそれぞれ溶解する溶解量の許容値を決め、前記許容値以下となる不純物含有有機系ガスの成膜槽内濃度を予め求め、前記成膜槽内濃度となるように不純物含有有機系ガスの流量を制御する請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The impurity-containing organic gas is one or a plurality of organic gases containing at least one of boron and phosphorus, and the impurity-containing silicon oxide film formed in the second CVD process is formed on the surface. The allowable value of the dissolution amount of boron and phosphorus dissolved in the water in contact with each other is determined, and the concentration in the film forming tank of the impurity-containing organic gas that is equal to or lower than the allowable value is obtained in advance and becomes the concentration in the film forming tank. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the flow rate of the impurity-containing organic gas is controlled as described above. 第二のCVD工程で成膜される不純物含有シリコン酸化膜が、膜厚10nm以下であり、表面に接触する水に対して、ボロン0.00020μg/cm2以下、もしくはリン0.010μg/cm2以下、もしくはボロンおよびリン0.01μg/cm2以下が溶解する不純物含有量である請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The impurity-containing silicon oxide film formed in the second CVD process has a film thickness of 10 nm or less, and is less than 0.0020 μg / cm 2 of boron or 0.010 μg / cm 2 of phosphorus with respect to water in contact with the surface. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the impurity content is such that boron or phosphorus is dissolved in an amount of 0.01 μg / cm 2 or less. 請求項1記載の層間絶縁膜を形成する半導体装置製造装置であって、
有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスのそれぞれを成膜槽に供給する配管を有し、前記不純物含有有機系ガスの配管は有機シリコン系ガスの配管に比べて、ガス流量を所望量に制御するために介装した流量制御装置から成膜槽までの配管長さが短い半導体装置製造装置。
A semiconductor device manufacturing apparatus for forming an interlayer insulating film according to claim 1,
A pipe for supplying each of the organic silicon-based gas, the impurity-containing organic gas, and the oxidizing gas to the film formation tank, and the impurity-containing organic gas pipe has a gas flow rate that is higher than that of the organic silicon-based gas pipe. A semiconductor device manufacturing apparatus having a short pipe length from a flow control device interposed to control a desired amount to a film formation tank.
下層配線と上層配線との間に層間絶縁膜として不純物含有シリコン酸化膜を配した多層配線構造の半導体装置であって、
前記不純物含有シリコン酸化膜が、下層配線により発生した段差上に有機シリコン系ガスと不純物含有有機系ガスと酸化性ガスとを材料ガスとして形成され、下層配線側に不純物を高濃度に含有し、上層配線側に微量の不純物を含有した半導体装置。
A semiconductor device having a multilayer wiring structure in which an impurity-containing silicon oxide film is disposed as an interlayer insulating film between a lower layer wiring and an upper layer wiring,
The impurity-containing silicon oxide film is formed using organic silicon-based gas, impurity-containing organic gas, and oxidizing gas as material gas on the step generated by the lower-layer wiring, and contains impurities at a high concentration on the lower-layer wiring side, A semiconductor device containing a small amount of impurities on the upper wiring side.
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