JP2002069654A - 成膜方法及び化学気相蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＶＤによる金属堆積物を堆積工程実行中に
中間熱処理するか、又は堆積工程終了後に後熱処理する
ことによって堆積金属にリフロー現象を起こし、基材表
面に対する追随性が良いコンフォーマルで平坦な膜状に
改善できる成膜方法及び化学気相蒸着装置を提供するこ
と。 【解決手段】 化学気相蒸着法を用いて基材１表面に所
望の材料からなる皮膜を形成するに際し、成膜工程実行
中、又は成膜工程の途中で暫時該工程を中断して、それ
以前に形成した該材料から成る堆積物２をハロゲンラン
プ１３で加熱し熱処理するか、若しくは該工程終了後に
該堆積物２をハロゲンランプ１３で加熱し熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイスの銅
等の金属配線を化学気相蒸着法（以下、必要に応じて
「ＣＶＤ」と略記する）を用いて行う場合、基材の下地
表面に対して追随性が良く（所謂コンフォーマルで）、
平坦な（モフォロジーの良い）膜を形成する成膜方法及
び化学気相蒸着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＶＤによって半導体基板上に金属（例
えば銅）を堆積する場合、堆積物の凝集・粒状化は通常
不可避とされている。これは、堆積物がその表面積を低
減することによって系内の表面エネルギの総和を低下し
ようとする傾向に起因して生じる現象と考えられてい
る。凝集・粒状化の程度は堆積した物質自体の原子間に
働く結合力と堆積物と基材表面間の吸着力によって大き
く左右される。相対的に堆積物自体の結合力（凝集力）
が、基材と堆積物間の吸着力に対して著しく大きけれ
ば、堆積物は基材表面上で大規模に凝集・粒状化してし
まう。一般に貴金属では凝縮が著しく生じるといわれて
いる（例えば、水島宣彦、原留美吉、玉井康勝、「薄膜
物性工学・界面物性工学」（１９６８．１１第１版オー
ム社）（以下、「文献１」と称する）参照）。

【０００３】半導体デバイスの配線を健全に形成するた
めには下地に対して凝集のない所謂コンフォーマルで平
坦な堆積層を形成する必要があるので、例えばスパッタ
リングで銅成膜をするときは基材を冷却して吸着力を強
めることによって凝集・粒状化が生じないように工夫を
し、一定の効果を出している。これは、降温によって基
材表面での拡散・移動を抑制することによる効果も狙っ
ている。

【０００４】ところが、スパッタリングに替えて、ＣＶ
Ｄで銅等の金属堆積を行うためには，膜の広範囲な均一
性を確保するため表面反応律速領域で工程を行なうこと
が不可避（例えば、粟屋信義、「高集積化デバイス配線
材料調査報告書２」（１９９６年度日本電子工業振興協
会Ｓ）Ｐ．１８７参照）なので、１７５℃程度以下に基
材表面を保持することが必要となる結果、前述のスパッ
タリング成膜と異なり、基材冷却の手法をとることが現
実的に不可能になるという問題がある。したがって、Ｃ
ＶＤによって形成した例えば銅膜の表面には凝集に起因
すると見られる著しい凹凸が出現する場合が多い。

【０００５】堆積層表面の凹凸が甚だしく生じると、
半導体デバイスの配線用の微細凹みを埋め込む場合は、
凹み開口部で極端に堆積量が多くなるオーバハングを生
じて、埋込み銅の内部に空洞欠陥を生じやすい。また、
埋込み後の洗浄工程やＣＭＰ（化学機械研摩）による
平坦化工程においても不具合を起こしやすい、という由
々しい問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のよう
に、ＣＶＤによる金属（特に銅Ｃｕ）堆積物の形態が凝
集の著しい粒状のものになりやすいことに鑑み、これを
堆積工程実行中に中間熱処理するか、又は堆積工程終了
後に後熱処理することによって堆積金属にリフロー現象
を起こし、基材表面に対する追随性が良いコンフォーマ
ルで平坦な（モフォロジーの良い）膜状に改善できる成
膜方法及び化学気相蒸着装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、化学気相蒸着法を用いて基材
表面に所望の材料からなる皮膜を形成するに際し、成膜
工程実行中、又は成膜工程の途中で暫時該工程を中断し
て、それ以前に形成した該材料から成る堆積物を熱処理
するか、若しくは該工程終了後に該堆積物を熱処理する
ことを特徴とする。

【０００８】上記のように堆積物を熱処理することによ
り、後に詳述するように堆積物にリフロー現象が起り、
該堆積物は平坦な膜状に改善される。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の成膜方法において、基材は半導体ウエハであり、皮膜
形成に充当する材料は銅であり、成膜工程は半導体デバ
イスの配線構築のために行う化学気相蒸着法のプロセス
であることを特徴とする。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の成膜方法において、熱処理温度を絶対温度で表
した場合、該熱処理温度は皮膜形成に充当する材料の融
点を絶対温度で表した数値の３０％以上で、且つ４００
℃以下であることを特徴とする。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項１又は２
又は３に記載の成膜方法において、熱処理の形態は基材
上に形成した堆積物の反基材側から熱を加えることによ
って該堆積物を昇温すると共に、該堆積物の基材側を反
基材側よりも低い温度になるように基材側から除熱・冷
却することを特徴とする。

【００１２】上記のように堆積物を反基材側から加熱す
ることにより、後に堆積物の原子間の結合が低下し、堆
積物の平坦化に寄与すると共に、堆積物の基材側を反基
材側よりも低い温度になるように基材側から除熱・冷却
することにより、基材と堆積物の界面の温度が低下し、
物理吸着力が大きくなるから、堆積物の基材表面に対す
る追随性が良くなる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、化学気相蒸着法
により基材表面に所望の材料を堆積して皮膜を形成する
化学気相蒸着装置において、基材の表面に形成した堆積
物を反基材側から加熱することによって該堆積物を昇温
する加熱機構と、該堆積物の基材側を反基材側よりも低
い温度になるように基材側から除熱・冷却する冷却機構
とを具備することを特徴とする。

【００１４】上記のように加熱機構と、冷却機構を具備
することにより、基材表面に対する追随性が良いコンフ
ォーマルで平坦な膜を形成できる化学気相蒸着装置とな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図１は本発明に係る成膜方法を
実行するＣＶＤ装置の概念構成を示す図である。１０は
反応室であり、該反応室１０内に基材１を載置するサセ
プタ（基板載置台）１１が配置されている。サセプタ１
１の上部に静電チャック１２が設けられ、該静電チャッ
ク１２を作動させることにより、基材１を静電力で吸着
できるようになっている。サセプタ１１に載置した基材
１に対向してハロゲンランプ１３が配置され、基材１を
輻射加熱できるようになっている。

【００１６】また、サセプタ１１内にはヒータ１４が内
蔵されており、該ヒータ１４に加熱電流を供給すること
により基材１を加熱できるようになっている。また、サ
セプタ１１内には冷却コイル１５を設け、該冷却コイル
１５には冷媒流入排出パイプ１６を通して冷媒を循環・
供給し、基材１の下面を冷却できるようになっている。
また、反応室１０は排気管１７を介して真空ポンプ１８
に接続され、その内部を真空排気できるようになってい
る。また、反応室１０には原料ガス供給管１９を介して
原料ガス供給機構２０が接続され、内部に原料ガスを供
給できるようになっている。

【００１７】上記構成のＣＶＤ装置において、基材１は
半導体基板のように表面に半導体デバイスの微細な配線
用パターン溝や孔が形成されたものである。真空ポンプ
１８で反応室１０内を真空排気すると共に、ヒータ１４
に加熱電流を供給し、基材１を加熱し、所定の温度に維
持し、原料ガス供給機構２０から金属原料ガス、例えば
Ｃｕの有機金属原料ガスを反応室１０内に供給すること
により、基材１の表面にＣｕの堆積物２が堆積し、Ｃｕ
の皮膜が形成される。

【００１８】上記基材１の表面に金属皮膜を形成するに
際し、該成膜工程実行中、又は成膜工程の途中で暫時該
工程を中断して、それ以前に形成した該堆積物２にハロ
ゲンランプ１３から輻射熱を加え昇温させて熱処理する
か、若しくは該成膜工程終了後に該堆積物２にハロゲン
ランプ１３から輻射熱を加え昇温して熱処理する。この
結果、後に詳述するように、堆積物２はリフローにより
平坦化される。

【００１９】また、この熱処理温度は絶対温度で表した
場合、堆積物２の材料（例えばＣｕ）の融点を絶対温度
で表した数値の３０％以上で、且つ４００℃以下とす
る。上記熱処理ではハロゲンランプ１３により堆積物２
を基材１の反対側から加熱して昇温すると共に、冷却コ
イル１５に冷媒を供給し堆積物２の基材１側を基材１の
反対側よりも低い温度になるように基材１の下面を冷却
する。また、静電チャック１２を作動することにより、
基板１をサセプタ１１に密着し、基板１とサセプタ１１
の熱伝達を確保し、急峻な温度勾配の付与を可能にして
いる。

【００２０】上記のように、堆積物２を反基材１側から
加熱することにより、堆積物２の原子間の結合が弱くな
り、堆積物２の平坦化に寄与すると共に、堆積物２の基
材１側を反基材１側よりも低い温度になるように基材１
の下面を冷却することにより、基材１と堆積物２の界面
の温度が低下し、物理吸着力が大きくなる。以下、上記
堆積物２の熱処理の作用について説明する。

【００２１】先ず始めに、粒状の堆積物の昇温による表
面拡散の挙動について説明する。粒状の堆積物の温度が
一定以上に上昇すると、一般的に該堆積物表面の原子が
熱活性化過程によって移動する現象、所謂表面拡散を起
こすことが知られている。表面拡散の駆動力は初期状態
の表面形状（曲率半径の差）によって生じるので（文献
１のＰ２９２参照）、曲率の大きい堆積物ほど活発な表
面拡散を起こす傾向が強くなる。

【００２２】一般に表面拡散が容易に生じる温度はその
材料の融点をＴ_mＫとすると、０．３Ｔ_mＫ（＝タンマン
温度）となることがわかっている（文献１のＰ２９２参
照）。銅の場合、融点が１，０８３℃なので、次式
（１）によって銅のタンマン温度は１３４℃になる。 ０．３Ｔ_m＝０．３×（１，０８３＋２７３）−２７３≒１３４℃ （１）

【００２３】表面拡散の測定値としては例えば図２に示
すものが公表されている（Gjostein,n.a.,Surfaces an
d Interfaces,VOｌ.1,（1967 Syracuse Univ.Pres
s）P.２７１参照）。表面拡散係数は温度の逆数の指数
関数で記述される式（２）の関係を二つの温度領域で夫
々定義したとき、経験的にその二つの方程式を重ね合わ
せて記述できるという考えが示されている（図２の基準
曲線）。 Ｄ＝Ｄｏｅｘｐ（−Ｑ／（ｋＴ）） （２） ここで、Ｄ：拡散係数ｃｍ²／ｓ、Ｄｏ：振動数項ｃｍ²
／ｓ、ｋ：ボルツマン定数Ｊ／Ｋ、Ｑ：活性化エネルギ
Ｊ、Ｔ：温度Ｋを表わし、拡散係数Ｄ、振動数項Ｄｏ、
活性化エネルギＱは低温域、高温域によって夫々異なる
値をとる。因みに、図２で明らかなように、銅について
実測された曲線（図２の〜）は上述の基準曲線とは
かなり異なっている。

【００２４】また、注目すべきこととして図２に示すよ
うに少なくとも銅について表面拡散係数と体拡散係数を
比較すると、前者は後者の約１０⁵倍と著しく拡散が速
くなっている。また、当然のことながら温度が高くなる
と、体拡散による原子の移動も活発に起きるようにな
る。

【００２５】図３（ａ）、（ｂ）はＣＶＤによって基材
表面に生成した堆積物が凝集して粒状化していくモデル
を示す図である。ＣＶＤによって基材１の上に堆積物２
が形成される場合、通常基材１の表面上に点々と存在す
る核発生場所（主としてキンクやテラス等と呼ばれる表
面エネルギの高い部分）を起点として堆積が開始し、時
間の経過と共に図３（ａ）に示すように小さい核から大
きな堆積物２へと島状に成長を行う。この島状の堆積物
２が十分成長し図３（ｂ）に示すように隣り合う島と互
いに接触するまでに成長する。

【００２６】一般に、１μｍよりも直径の小さい粒子で
は粒子の全エネルギに対する表面エネルギの割合が著し
く大きくなる。この表面エネルギの存在によって、粒子
内部の結晶格子には強い圧縮応力が働き、融点は著しく
低下する。このように、大きな表面エネルギによって、
常に表面積を縮小しようとする力が作用し、例えば図３
（ｂ）に示す２つの粒子状の堆積物２と２の接触部分の
ように、凹んだ部分にはその周囲の固体から物質を引張
り込む傾向が強くなる。

【００２７】図４は公知文献（作井誠太編「百万人の金
属学技術編」（１９７８．３アグネ）Ｐ．２７４，２７
５）に基づく表面エネルギによる粒子のリフロー現象を
模式的に示す。上に述べた傾向によって、温度が上昇し
て表面拡散によって物質の原子が容易に移動するように
なると図４（ａ）のように２つ粒子状の堆積物２、２の
接触部分に原子が集合して接触面積が増加する結果、巨
視的表面凹凸は緩和する。また、２つの粒子状の堆積物
２、２が接触する凹み面では強い表面張力が働くので蒸
発が不活発となり、周辺の蒸気圧が低くなる。その結
果、気相中の原子を取り込み吸着・凝着する作用が強い
ので、図４（ａ）に示すように一旦堆積物２、２の表面
から蒸発した原子３が再付着する現象（蒸発凝着）が起
こり、これによっても平坦化が進む。

【００２８】更に時間が経過するか、昇温が進めば図４
（ｂ）に示すように、体拡散による粒子状の堆積物２、
２内部の原子移動の寄与が増すようになるので、堆積物
２、２の平坦化が急速に進行する。このように、堆積し
た粒子が徐々に連結して平坦膜に近付くのがリフローで
あり、このような物質移動の起こり易さは物質固有の表
面エネルギと堆積物の曲率に大きく依存して決まる。体
拡散は温度が高いほど活発に起り、平坦化のための所要
時間が短縮出来るので、リフロー温度は前述の表面拡散
が開始するタンマン温度以上で高いほど良い。他方、半
導体デバイス全体の機能を維持するため、昇温限界は通
常４００℃程度に抑える必要がある。

【００２９】図５は基材に異なる物質が堆積した状況の
典型例を示す。図５（ａ）は堆積物２自体の原子間の結
合が強く、基材１への吸着力が弱いので、堆積物２が大
きな曲率をもって粒状になっている状態を示す。図５
（ｂ）は上述とは逆の場合を示しており、堆積物２の曲
率は小さく薄層状に広がっている場合を示す。堆積物２
の形状を左右する要因として、上記結合力と吸着力は重
要な役割を演じていると考えられる。

【００３０】半導体デバイスの配線を健全なものとする
ためには、上述のように基材１の表面に対して追随性が
よく、平坦な形態で成膜できることが必須の条件なの
で、図５（ｂ）の状態が実現できることが切望される。
原子間の結合力は原子相互間の分離抵抗（変形に対する
抵抗性）に相関するので、堆積物２の温度が高いほどこ
れは低下する一方、物理吸着力は基材１と堆積物２の界
面の温度を低下すると著しく大きくなる性質がある。

【００３１】したがって、リフロー平坦化を行う場合
は、図６に示すように堆積物２の反基材１側から熱４を
加えてその温度を上昇し、一方、基材１側から冷熱５を
加え熱を取り除いて堆積物２と基材１の界面温度を降下
させ、堆積物２に急峻な温度勾配を与えることが極めて
有効な作用を生む。この場合、昇温限界は前述したのと
同様の理由によって４００℃程度に抑える必要がある。

【００３２】以上述べたように、図１に示す構成のＣＶ
Ｄ装置において、上記のような成膜方法を実行すること
により、凝集・粒状化に起因して表面に凹凸を生じた基
材上の堆積物の表面を平坦なものに変化させることがで
きるから、例えば銅による半導体デバイスの配線形成に
好適な銅の成膜が得られる。

【００３３】また、本発明によって、成膜工程の稼動中
に前述の熱処理操作：即ち堆積物の反基材１側からの加
熱、及び基材１側からの冷却を成膜工程の進行と並行し
て行っても有効な場合がある。

【００３４】

【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。

【００３５】請求項１乃至３に記載の発明によれば、成
膜工程実行中、又は成膜工程の途中で暫時該工程を中断
して、それ以前に形成した該材料から成る堆積物を熱処
理するか、若しくは該工程終了後に該堆積物を熱処理す
ることにより、堆積物にリフロー現象が起り、該堆積物
は平坦な膜状に改善した成膜が得られる。例えば銅によ
る半導体デバイスの配線形成に用いることにより、配線
形成に好適な銅成膜が得られる。

【００３６】請求項４に記載の発明によれば、堆積物を
反基材側から加熱することにより、堆積物の平坦化に寄
与すると共に、堆積物の基材側を反基材側よりも低い温
度になるように基材側から除熱・冷却することにより、
基材と堆積物の物理吸着力が大きくなり堆積物の基材表
面に対する追随性が良くなる。即ち、基材表面に対する
追随性が良いコンフォーマルで平坦な成膜が得られる。

【００３７】請求項５に記載の発明によれば、基材の表
面に形成した堆積物を反基材側から加熱する加熱機構
と、該堆積物の基材側を反基材側よりも低い温度になる
ように基材側から除熱・冷却する冷却機構とを具備する
から、基材表面に対する追随性が良いコンフォーマルで
平坦な膜を形成できる化学気相蒸着装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成膜方法を実行するＣＶＤ装置の
概念構成を示す図である。

【図２】面心立方格子金属に関する表面自己拡散係数の
温度依存性に対する拡散雰囲気の影響を示す図である。

【図３】凝集によって基材表面で堆積粒子の粒状化（直
径１０ｎｍ程度）が進行するモデルを示す図である。

【図４】表面エネルギによるリフロー現象を説明するモ
デルを示す図である。

【図５】凝集と吸着の効果を説明するモデルを示す図で
ある。

【図６】リフロー平坦化の促進を説明するモデルを示す
図である。

【符号の説明】

１ 基材 ２ 堆積物 ３ 原子 ４ 熱 ５ 冷熱 １０ 反応室 １１ サセプタ １２ 静電チャック １３ ハロゲンランプ １４ ヒータ １５ 冷却コイル １６ 冷媒流入排出パイプ １７ 排気管 １８ 真空ポンプ １９ 原料ガス供給管 ２０ 原料ガス供給機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 裕二 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 BA01 CA04 CA12 DA09 JA10 KA23 KA26 4M104 BB04 DD43 DD80 HH12

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学気相蒸着法を用いて基材表面に所望
   の材料からなる皮膜を形成するに際し、成膜工程実行
   中、又は成膜工程の途中で暫時該工程を中断して、それ
   以前に形成した該材料から成る堆積物を熱処理するか、
   若しくは該工程終了後に該堆積物を熱処理することを特
   徴とする成膜方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成膜方法において、 前記基材は半導体ウエハであり、前記皮膜形成に充当す
   る材料は銅であり、前記成膜工程は半導体デバイスの配
   線構築のために行う化学気相蒸着法のプロセスであるこ
   とを特徴とする成膜方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の成膜方法におい
   て、 前記熱処理温度を絶対温度で表した場合、該熱処理温度
   は前記皮膜形成に充当する材料の融点を絶対温度で表し
   た数値の３０％以上で、且つ４００℃以下であることを
   特徴とする成膜方法。
4. 【請求項４】 請求項１又は２又は３に記載の成膜方法
   において、 前記熱処理の形態は前記基材上に形成した堆積物の反基
   材側から熱を加えることによって該堆積物を昇温すると
   共に、該堆積物の基材側を反基材側よりも低い温度にな
   るように基材側から除熱・冷却することを特徴とする成
   膜方法。
5. 【請求項５】 化学気相蒸着法により基材表面に所望の
   材料を堆積して皮膜を形成する化学気相蒸着装置におい
   て、 前記基材の表面に形成した堆積物を反基材側から加熱す
   ることによって該堆積物を昇温する加熱機構と、該堆積
   物の基材側を反基材側よりも低い温度になるように基材
   側から除熱・冷却する冷却機構とを具備することを特徴
   とする化学気相蒸着装置。