(57)【要約】【課題】  従来工程と比べ、工程を増やすことなく高圧水蒸気による８００℃以下の温度で十分な半導体装置の絶縁膜の平坦化を行うことができ、かつ、高圧水蒸気処理後の絶縁膜中の水分の除去時間を短縮することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する成膜工程と、半導体基板を水蒸気を含む１ＭＰａ以上の雰囲気中で熱処理することにより絶縁膜を平坦化させるリフロー工程（Ｓ２）と、リフロー工程後に、リフロー工程の雰囲気圧力より低圧力の不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより絶縁膜中の水分を除去する水分除去工程（Ｓ４）とを含むものである。水分除去工程における熱処理温度は４００℃以上であるのが好ましく、雰囲気圧力は大気圧又は負圧であるのが好ましい。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する成膜工程と、
前記半導体基板を水蒸気を含む１ＭＰａ以上の雰囲気中で熱処理することにより前記絶縁膜を平坦化させる平坦化工程と、
該平坦化工程後に、該平坦化工程の雰囲気圧力より低圧力の不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより前記絶縁膜中の水分を除去する水分除去工程とを含む、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記成膜工程において、化学的気相成長法又は塗布法により絶縁膜を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記水分除去工程における熱処理温度は４００℃以上である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記水分除去工程における雰囲気圧力は大気圧又は負圧である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
被絶縁物と前記絶縁膜との間にシリコン窒化膜を形成する工程を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜はシリコン酸化膜で構成されており、該シリコン酸化膜はリン、ヒ素、ボロン及びハロゲン化物のうち少なくとも一種類を含有する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁膜は層間絶縁膜である、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板（ウエハ）の上にＢＰＳＧ膜等の絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法に関する。更に詳しくは、上記絶縁膜を低温・短時間で平坦化することができ、かつ、絶縁膜中の水分を短時間で効果的に除去することができる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において高集積化に伴う微細化が進むにつれ構造のアスペクト比（構造物の横方向寸法に対する深さ方向寸法の比）が高くなり、製作工程において構造の段差が大きくなる傾向にある。例えば、半導体装置の製造工程においてＭＯＳＦＥＴのゲート電極が半導体基板の上に突出して形成されることによりそれらに隣接するゲート電極間に凹部ができゲート電極とそれらのゲート電極間とによって凹凸・段差ができる。この段差が大きくなると、露光により配線パターンを描画する際の焦点ずれが生じたり、配線を交差して形成する場合に交差部のラップ部分が薄くなり断線の原因となったりするなど、半導体装置の欠陥につながるような問題が発生する。このような段差を解消する方法として、段差にＢＰＳＧ膜やＰＳＧ膜等の層間絶縁膜を成膜した上で、その絶縁膜を何らかの方法で平らに（平坦化）する平坦化工程が必要となる。
【０００３】
従来、半導体装置の絶縁膜の平坦化は、絶縁膜を成膜した半導体装置を、常圧（０．１ＭＰａ）の不活性ガス雰囲気中で９００℃の温度で熱処理するか、又は、常圧の酸素又は水蒸気雰囲気中で９００℃より若干低い温度で熱処理することにより、絶縁膜を流動化させ、流動による平坦化効果により平坦化を行ってきた。このような絶縁膜の平坦化に関する先行技術として、下記特許文献１及び２が開示されている。
【０００４】
特許文献1の「半導体装置の絶縁膜の平坦化方法」は、半導体装置のＢＰＳＧ膜を比較的低温，短時間で効果的にリフローすることを目的とし、半導体装置の基板上の凹凸面上に形成された絶縁膜を熱フローにより平坦化する方法において、熱フローを酸素又は、水蒸気を含む雰囲気中において３ａｔｍ以上の圧力下で行うものである。そして、この方法により、絶縁膜に拡散する酸素量及びその拡散速度が増大し、従来に比し低温でかつ短時間でＢＰＳＧ膜の良好なリフローを実現している。
【０００５】
特許文献２の「半導体装置の製造方法」は、低温処理により十分な平坦性を得ることを目的とし、半導体基板上の素子を形成し、この素子上にシリコン窒化膜を形成し、この上にホウ素とリンを含むＢＰＳＧ膜を形成し、更にその上に塗布法によりホウ素もしくはリンの少なくとも一方を含むＳＯＧ膜を形成する。その上で、基板を水蒸気を含む高圧雰囲気中で熱処理を行う。これにより、ＳＯＧ膜をゲル状化し、外部からの高圧により膜自身に圧力が加えられて平坦化される。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−６７６０７号広報
【特許文献２】特開平１０−２７５８０５号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の「半導体装置の絶縁膜の平坦化方法」では、従来の平坦化処理温度より低い８００℃で熱処理を行うことができるものの、微細化レベルの素子特性では悪影響を与える温度であり、更なる平坦化処理温度の低温化が望まれる。
【０００８】
また、特許文献２の「半導体装置の製造方法」では、平坦化処理温度を７００℃以下にすることができるものの、塗布法による酸化膜を成膜する工程が増え複雑となる。また、水蒸気処理を行ったまま絶縁膜中に水分が残ると素子の安定性・寿命に悪影響を及ぼすため十分な水分除去が必要となるところ、ＳＯＧ硬化過程において、高圧雰囲気のまま窒素ガス等の不活性雰囲気で処理を行っているため、絶縁膜中の水分放散が起こりづらく処理時間が増大するという問題があった。
【０００９】
本発明は上述した問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、従来工程と比べ、工程を増やすことなく高圧水蒸気による８００℃以下の温度で十分な半導体装置の絶縁膜の平坦化を行うことができ、かつ、高圧水蒸気処理後の絶縁膜中の水分の除去時間を短縮する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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板の上に絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に絶縁膜を形成する成膜工程と、前記半導体基板を水蒸気を含む１ＭＰａ以上の雰囲気中で熱処理することにより前記絶縁膜を平坦化させるリフロー工程と、該リフロー工程後に、該リフロー工程の雰囲気圧力より低圧力の不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより前記絶縁膜中の水分を除去する水分除去工程とを含む、ことを特徴としている（請求項１）。
【００１１】
上記本発明によれば、雰囲気中の水分濃度を高い状態に維持できる１ＭＰａ以上の高圧水蒸気雰囲気中で熱処理を行うため、水蒸気が絶縁膜中に拡散して絶縁膜中の水分濃度が増加する。絶縁膜の粘度低下は、絶縁膜中の（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）の網目構造が水分子Ｈ２Ｏにより切断されることによるものであるが、本発明によれば、絶縁膜中の水分濃度が高まるため、かかる網目構造の切断を促進することができ、絶縁膜の粘度を従来方法と比し低下させることができる。しがたって、従来と同じ平坦性を得るための処理時間を短縮することができる。また、従来と同程度の処理時間で処理する場合、同じ粘度を得るための処理温度が低くできるため、処理温度を低温化（例えば７００℃）することができる。また、絶縁膜の粘土の低下により絶縁膜中のボイド（気泡）も消滅させることができる。
また、高圧水蒸気雰囲気中で平坦化処理を行った後に、低圧力の不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、低圧力の雰囲気中では水蒸気分圧が低くなるため、絶縁膜中の水分を短時間で効果的に除去することができる。したがって、処理後の絶縁膜に水分が残留することがなく、半導体装置内への水分の拡散による劣化を防止することができる。
【００１２】
また、上記本発明において、前記成膜工程において、化学的気相成長法又は塗布法により絶縁膜を形成する、ことが好ましい（請求項２）。
【００１３】
また、上記本発明において、前記水分除去工程における熱処理温度は４００℃以上である、ことが好ましい（請求項３）
【００１４】
また、上記本発明において、前記水分除去工程における雰囲気圧力は大気圧又は負圧である、ことが好ましい（請求項４）
【００１５】
また、上記本発明において、被絶縁物と前記絶縁膜との間に窒化シリコンからなるバリア層を形成する工程を含む、ことが好ましい（請求項５）。
【００１６】
また、上記本発明において、前記絶縁膜はシリコン酸化膜で構成されており、該シリコン酸化膜はリン、ヒ素、ボロン及びハロゲン化物のうち少なくとも一種類を含有する、ことが好ましい（請求項６）。
【００１７】
また、上記本発明において、前記絶縁膜は層間絶縁膜である、ことが好ましい（請求項７）。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明によれば、従来工程と比べ、工程を増やすことなく高圧水蒸気による８００℃以下の温度で十分な半導体装置の絶縁膜の平坦化を行うことができ、かつ、高圧水蒸気処理後の絶縁膜中の水分の除去時間を短縮することができる等の優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法においては、例えば、図１に示すような高圧水蒸気アニール装置を用いる。この高圧水蒸気アニール装置１０は、高圧水蒸気雰囲気下で熱処理できる装置であり、ウエハ搭載ボート１２と、処理容器１３と、加熱ヒータ１４と、圧力容器１５と、純水ボイラ１６と、純水供給ライン１７と、水蒸気ライン１８と、不活性ガス供給ライン１９と、処理容器排気ライン２０と、圧力容器給排気ライン２１とを備えている。
【００２１】
ウエハ搭載ボート１２は、半導体装置（処理ウエハ）１１を多数枚（例えば、１００〜１５０枚程度）縦に並べて搭載できるようになっている。処理容器１３は、空断面円形で上部がドーム状をなす石英ガラスからなり、内部にウエハ搭載ボート１２を収容できるようになっている。加熱ヒータ１４は、円筒形状をなし、処理容器１３の外側にこれを囲むように縦方向に複数段設けられており、これにより半導体装置１１を加熱する。
【００２２】
純水ボイラ１６は純水供給ライン１７から供給される純水を蒸発させて水蒸気を発生させる装置であり、発生した水蒸気は水蒸気ライン１８により処理容器１３内に導入されるようになっている。また、処理容器１３には不活性ガス供給ライン１９が接続されており、処理容器１３内に窒素ガス等の不活性ガスを導入できるようになっている。処理容器１３内に導入された水蒸気又は不活性ガスは、処理容器排気ライン２０から排出される。これにより、処理容器１３内を水蒸気雰囲気と不活性ガス雰囲気を相互に置換可能に構成されている。
【００２３】
また、圧力容器１５には圧力容器給排気ライン２１が接続されており、圧力容器１５内にガス（空気等）を供給し、又は圧力容器１５内からガスを排出することにより圧力容器１５内の圧力を調整するようになっている。
【００２４】
次に、本発明の半導体装置の製造方法について具体的に説明する。本発明に係る製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する成膜工程と、この絶縁膜を平坦化させる平坦化工程と、絶縁膜中の水分を除去する水分除去工程とを含むものである。以下、各工程について説明する。
【００２５】
まず、成膜工程について説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態による半導体装置の断面形状を示す。図２のように、半導体基板１１上に形成されたゲート絶縁膜やゲート電極等の配線構造物７によりできた凹凸（トレンチ）１に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）又は塗布法により層間絶縁膜２を形成する成膜工程を行う。この絶縁膜２は、例えばシリコン酸化膜であり、その中にリン、ヒ素、ボロン、ハロゲン化物等のうち少なくとも１種を含有するＢＰＳＧ膜、ＰＳＧ膜等である。このとき、同図に示すように、絶縁膜２上に凹凸ができる。また、図２（ｂ）に示すように絶縁膜２の中にボイド（気泡）３を生じる場合がある。
【００２６】
また、図３に示すように、絶縁膜２と配線構造物７等の被絶縁物との間にはシリコン窒化膜４をＣＶＤ等により形成しておくと良い。このシリコン窒化膜４は、後工程での処理による水分が素子まで浸入しないようにするための保護膜（バリアー層）として機能する。
【００２７】
次に、平坦化工程及び水分除去工程について、図４を参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、各工程における温度プロフィール（ａ）と圧力プロフィール（ｂ）を示すものである。図４（ａ）、（ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸はそれぞれ処理温度（℃）、処理圧力（ＭＰａ）を示している。
【００２８】
まず、図１に示した高圧水蒸気アニール装置１０の処理容器１３内を水蒸気雰囲気にして７００℃、２ＭＰａまで加熱及び昇圧する（Ｓ１）。次に、絶縁膜２を平坦化させる平坦化工程に入る（Ｓ２）。平坦化工程では、必要な処理時間（約１時間）保持する。これにより、絶縁膜２中への水分の拡散と加熱処理により絶縁膜２の粘度が低下し、絶縁膜２上の凹凸が緩和もしくは平坦化され（図５参照。）、絶縁膜中に存在したボイド３は消滅する（図６参照。）。
【００２９】
ここで、シリカガラスの粘性と含有水分との相関関係について説明する。図７は、シリカガラスの粘性と含有水分との相関グラフであり、横軸に絶対温度の逆数（１０４／Ｔ[Ｋ]）をとり、縦軸にシリカガラスの粘度（Ｌｏｇη[Ｐｏｉｓｅ]）をとっている。また、図中「▲」、「×」、「●」、「○」のマークは、それぞれシリカガラス中の水分（Ｈ２Ｏ）濃度を示しており、「▲」は０．０００３ｗｔ％、「×」は０．０２７ｗｔ％、「●」は０．０４ｗｔ％、「○」は０．１２ｗｔ％を示している。同図から分かるように、ガラスは、水分濃度が高いほど、また、温度が高いほど粘度が低下する傾向にある。これは、シリカガラス中の（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）の網目構造が水分子（Ｈ２Ｏ）により切断されることによるものである。つまり、絶縁膜中の水分濃度を高めることにより、かかる網目構造の切断を促進することができ、絶縁膜の粘度を低下させることができる。
【００３０】
一方、大気圧を保った水蒸気雰囲気で加熱した場合、理想気体の法則（ボイルシャルルの法則）により雰囲気中の水蒸気濃度が低下し十分なガラス中の水分導入が望めない。（水分濃度∝ＰＶ／ＲＴより、温度Ｔを上げると水分濃度が減少する）。図８は、１μｍ厚のＳｉＯ２膜を水蒸気雰囲気中で７００℃の温度で１時間処理した場合の水分子濃度分布を示すものであり、横軸に絶縁膜表面からの深さ（μｍ）をとり、縦軸に絶縁膜中の水分子濃度（個／ｃｍ３）をとっている。また、図中「▲」、「×」、「●」、「△」、「■」のマークは、それぞれ処理条件を示しており、「▲」は７００℃・２．０ＭＰａ、「×」は７００℃・１．０ＭＰａ、「●」は７００℃・０．５ＭＰａ、「△」は７００℃・０．３ＭＰａ、「■」は７００℃・０．１ＭＰａを示している。同図に示すように、深さ１μｍでの水分濃度を見ると、大気圧（０．１ＭＰａ）の水蒸気処理では７．３３×１０１８個／ｃｍ３であるのに対し、２．０ＭＰａの水蒸気処理では１．４７×１０２０個／ｃｍ３であることから、大気圧（０．１ＭＰａ）の水蒸気処理と２．０ＭＰａの水蒸気処理とを比較した場合、２．０ＭＰａの方が約２０倍水分濃度が高くなるという結果が得られる。
【００３１】
そこで、図４の絶縁膜の平坦化工程（Ｓ２）において、より多くの水分を絶縁膜２中に導入させる方法として半導体基板１１を水蒸気を含む１ＭＰａ以上の雰囲気中で熱処理し、雰囲気中の水分濃度を高い状態とし、絶縁膜２へより多くの水分を導入する方法を採用した。これにより、加圧水蒸気による絶縁膜２中の水分濃度の上昇及び加熱の作用により、絶縁膜２の粘度を従来方法と比較し低下させることが可能で、従来と同じ平坦性を得るための処理時間を短縮することができる。また、従来と同程度の処理時間で処理する場合には、同じ粘度を得るための処理温度を７００℃以下にすることができるため、処理温度の低温化が可能となる。また、上述した従来技術のような再塗布等によらずに平坦化を行うことが可能である。また、上述したように、絶縁膜２の粘度の低下により絶縁間中のボイド３も消滅させることができる。
【００３２】
平坦化処理（Ｓ２）後の絶縁膜２に水分が残った場合、時間経過と共に半導体装置１１内に水分が拡散し、半導体装置１１が劣化するため、安定性が問題となる。このため、処理後の絶縁膜２中には、水分が残らないようにする必要がある。
【００３３】
図９は１μｍ厚のＳｉＯ２膜を２．０ＭＰａの水蒸気雰囲気中において７００℃の温度で１時間熱処理した後、０．１ＭＰａの不活性ガス雰囲気において１時間加熱処理した場合の絶縁膜中の水分子濃度分布を示すものである。同図において、横軸に絶縁膜表面からの深さ（μｍ）をとり、縦軸に絶縁膜中の水分子濃度（個／ｃｍ３）をとっている。また、図中「○」、「●」、「×」、「□」、「■」、「▲」のマークは、それぞれ処理条件を示しており、「○」は２００℃・０．１ＭＰａ、「●」は３５０℃・０．１ＭＰａ、「×」は４００℃・０．１ＭＰａ、「□」は４５０℃・０．１ＭＰａ、「■」は５００℃・０．１ＭＰａ、「▲」は７００℃・０．１ＭＰａを示している。同図に示すように、深さ１μｍでの水分濃度を見ると、７００℃の熱処理では７．３３×１０１８個／ｃｍ３であるのに対し、３５０℃の熱処理では１．０９×１０２０個／ｃｍ３であることから、７００℃と３５０℃とを比較した場合、７００℃の熱処理のほうが３５０℃の熱処理に比べ約１／１５となり、より低い雰囲気圧力で処理した場合、膜中の水分濃度はより低くなるという結果が得られた。このことから、処理雰囲気圧力および水蒸気分圧が低く、処理温度が高い方がより水分除去率が高いという傾向があることが分かる。
【００３４】
そこで、処理雰囲気圧力および水蒸気分圧が低く、処理温度が高い方がより水分除去率が高いという傾向を利用するため、図４に示すように、平坦化処理（Ｓ２）後、処理温度を維持したまま雰囲気圧力を所定の圧力（０．１ＭＰａ）まで減圧すると共に、処理雰囲気を不活性ガスに置換し（Ｓ３）、絶縁膜２中の水分を除去する水分除去工程（Ｓ４）を実施する。不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が使用される。このとき、雰囲気圧力は、より低いほうが好ましい。したがって、本実施形態では不活性ガス雰囲気圧力は大気圧（０．１ＭＰａ）であるが、負圧（０．１ＭＰａ未満）であってもよい。また、本実施形態では水分除去工程（Ｓ４）における処理雰囲気の温度は７００℃であるが、図９によれば、４００℃以上であれば十分な水分除去効果が得られることが分かるため、処理温度は４００℃以上とすることが好ましい。
【００３５】
この水分除去工程（Ｓ４）により、平坦化処理後の絶縁膜２中の水分を短時間で効果的に除去することができ、半導体装置１１内への水分の拡散による劣化を防止することができる。
【００３６】
水分除去工程（Ｓ４）の後、処理温度を下げると共に雰囲気圧力を減圧して処理が終了する（Ｓ５）。処理後、ドライエッチング法等によるエッチバッグを行い、素子上の絶縁膜の膜圧を適切に調整しても構わない。
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）雰囲気中の水分濃度を高い状態に維持できる１ＭＰａ以上の高圧水蒸気雰囲気中で熱処理を行うため、水蒸気が絶縁膜中に拡散して絶縁膜中の水分濃度が増加して絶縁膜の粘度を従来方法と比し低下させることができる。しがたって、従来と同じ平坦性を得るための処理時間を短縮することができる。また、従来と同程度の処理時間で処理する場合、同じ粘度を得るための処理温度が低くできるため、処理温度を８００℃以下に低温化（例えば７００℃）することができる。また、絶縁膜の粘度の低下により絶縁膜中のボイド（気泡）も消滅させることができる。
（２）低圧力（大気圧又は負圧）の不活性ガス雰囲気中において高温（４００℃以上）で熱処理することにより、低圧力の雰囲気中では水蒸気分圧が低くなるため、絶縁膜中の水分を短時間で効果的に除去することができる。したがって、平坦化処理後の絶縁膜に水分が残留することがなく、半導体装置内への水分の拡散による劣化を防止することができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施に用いる高圧水蒸気アニール装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態における半導体装置の別の構造を示す断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の各工程における温度プロフィールを示す図であり、（ｂ）は各工程の圧力プロフィールを示す図である。
【図５】本発明による凹凸（トレンチ）の平坦化を示す図であり、（ａ）は処理前、（ｂ）は処理後である。
【図６】本発明によるボイド（気泡）の消滅を示す図であり、（ａ）は処理前、（ｂ）は処理後である。
【図７】シリカガラスの粘性と含有水分との相関関係を示す図である。
【図８】水蒸気加圧中の絶縁膜中の水分子濃度分布を示す図である。
【図９】水分除去時の絶縁膜中の水分子濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  凹凸（トレンチ）
２  絶縁膜
３  ボイド
４  シリコン窒化膜
７  配線構造物
１０  高圧水蒸気アニール装置
１１  半導体装置
１２  ウエハ搭載ボート
１３  処理容器
１４  加熱ヒータ
１５  圧力容器
１６  純水ボイラ
１７  純水供給ライン
１８  水蒸気ライン
１９  不活性ガス供給ライン
２０  処理容器排気ライン
２１  圧力容器給排気ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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