JP2003252823A - 有機金属化学蒸着法用有機銅化合物及びそれを用いて作製した銅薄膜 - Google Patents

有機金属化学蒸着法用有機銅化合物及びそれを用いて作製した銅薄膜

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JP2003252823A
JP2003252823A JP2002053412A JP2002053412A JP2003252823A JP 2003252823 A JP2003252823 A JP 2003252823A JP 2002053412 A JP2002053412 A JP 2002053412A JP 2002053412 A JP2002053412 A JP 2002053412A JP 2003252823 A JP2003252823 A JP 2003252823A
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Atsushi Sai
篤 齋
Katsumi Ogi
勝実 小木
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Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 気化し易く、成膜時に安定した原料供給がで
きるとともに、成膜速度の向上が計れる。MOCVD装
置が腐食しにくくMOCVD工程における排ガス処理を
複雑にしない。下地膜との密着性に優れる。 【解決手段】 有機金属化学蒸着用有機銅化合物は、次
の式(1)又は式(2)で示される化合物である。 【化12】 【化13】 但し、R1がメチル基であって、R2がイソブチル基であ
るか、又はR1がメチル基であって、R2がイソプロピル
基であるか、或いはR1がイソブチル基であって、R2
t-ブチル基である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の配線
に用いられる銅(Cu)薄膜を有機金属化学蒸着(Meta
l Organic Chemical Vapor Deposition、以下、MOC
VDという。)法により作製するためのMOCVD法用
有機銅化合物及びそれを用いて作製した銅薄膜に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】銅及び銅系合金は、高い導電性、エレク
トロマイグレーション耐性からLSIの配線材料として
応用されている。また、銅を含む複合金属酸化物は、高
温超伝導体等の機能性セラミックス材料として応用され
ている。これら銅、銅を含む合金、銅を含む複合金属酸
化物等の銅系薄膜の製造方法としては、スパッタリング
法、イオンプレーティング法、塗布熱分解法等が挙げら
れるが、加工寸法が微細になるに従い、組成制御性、段
差被覆性、段差埋め込み性に優れること、LSIプロセ
スとの適合性等からCVD法、有機金属化合物を用いた
MOCVD法が最適な薄膜製造プロセスとして検討され
ている。
【0003】このMOCVD法により銅をIC基板及び
表面に付与させる有機銅化合物としては、これまでCu
(II)(hfac)2錯体即ち銅(II)ヘキサフルオロアセチ
ルアセトネート錯体が使用されてきた。しかし、このC
u(II)(hfac)2錯体は、堆積された銅内に汚染物を
残すこと、錯体を分解して銅を形成するために比較的高
い温度を用いる必要があるため実用的ではなく、十分な
特性を有しているものではなかった。
【0004】そこで1価のCu(I)(hfac)錯体を
用いることが検討され、例えば、室温で液体のCu(I)
tmvs・hfac錯体即ち銅(I)ヘキサフルオロアセ
チルアセトネートトリメチルビニルシラン錯体が開示さ
れている(米国特許第5,322,712号)。このC
u(I)tmvs・hfac錯体は比較的低い温度、約2
00℃で使用することができるため非常に有用である。
しかしこの錯体は非常に高価であり、更に大気中で非常
に不安定なため極めて安定性に欠け、室温で容易に分解
し、金属銅の析出と副生成物のCu(II)(hfac)2
変化し劣化が著しい。そのため、この銅錯体は成膜時に
安定して供給することが難しく、成膜の再現性にも劣
る。また配位子であるhfacはフッ素(F)を含むた
め、MOCVD装置が腐食しやすく、またMOCVD工
程における排ガス処理が複雑になる問題もあった。更
に、hfacのようなフッ素を含む有機銅化合物を用い
てMOCVD法により銅の成膜を行った場合、所望の銅
薄膜を形成したとき、銅薄膜中にフッ素が不純物として
取り込まれるだけでなく、ウェーハの下地界面にフッ素
が残留し、下地との密着性を低下させるという問題があ
る。
【0005】このような上記課題を解決するため、下記
式(3)で示される銅(II)のβ−ジケトネート錯体から
なる化学気相成長用原料が開示されている(特開200
1−181840)。
【0006】
【化3】 (式中、Rはイソプロピル基又は第三ブチル基を表し、
1はメチル基又はエチル基を表し、R2はプロピル基又
はブチル基を表す。) この銅原料は室温で液体であり、分子内にハロゲン元素
や窒素元素等の薄膜製造時に影響を及ぼすと考えられる
元素を含んでいないため、各種CVD法に適し、更に、
既存の固体である銅(II)錯体からなるCVD用銅原料と
同等の熱的、化学的安定性を有する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし特開2001−
181840号公報の上記式(3)で示される銅原料は
常温で液体であるが、その粘性は非常に高く、この銅原
料をMOCVD装置に供給するには高圧で供給しなけれ
ばならないため、成膜性に問題があった。またこの銅原
料を溶液に溶解して溶液原料としてMOCVD装置に供
給しても、この銅原料の分解温度は約450℃であり、
従来より一般的に用いられている有機銅化合物の分解温
度に比べて非常に高いため、成膜し難い問題もあった。
またこの上記式(3)で示される銅原料は極端に分子構
造が偏ったバランスの悪い構造を有しているため、成膜
時に安定して原料を供給することが難しく、十分な成膜
安定性が得られているとはいえなかった。
【0008】本発明の目的は、気化し易く、成膜時に安
定した原料供給ができるとともに、成膜速度を向上し得
るMOCVD法用有機銅化合物を提供することにある。
本発明の別の目的は、MOCVD装置が腐食しにくくM
OCVD工程における排ガス処理を複雑にしないMOC
VD法用有機銅化合物を提供することにある。本発明の
更に別の目的は、下地膜と堅牢に密着する高純度の銅薄
膜を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
次の式(1)又は式(2)で示される有機金属化学蒸着
法用有機銅化合物である。
【0010】
【化4】
【0011】
【化5】 但し、R1がメチル基であって、R2がイソブチル基であ
るか、又はR1がメチル基であって、R2がイソプロピル
基であるか、或いはR1がイソブチル基であって、R2
t-ブチル基である。
【0012】請求項1に係る発明では、上記構造を有す
るMOCVD法用有機銅化合物は、銅(II)錯体の平面2
配位の対称性を撓ませた構造を有するため、対称性のよ
い銅錯体よりも高い蒸気圧が得られるため気化し易く、
成膜時に安定した原料供給ができるとともに、成膜速度
の向上が計れる。また、化合物中にフッ素が含まれてい
ないため、MOCVD装置が腐食しにくく、MOCVD
工程における排ガス処理を複雑にすることがない。
【0013】請求項2に係る発明は、請求項1記載の有
機金属化学蒸着法用有機銅化合物を用いて有機金属化学
蒸着法により作製された銅薄膜である。請求項1記載の
有機金属化学蒸着法用有機銅化合物を用いて作製された
銅薄膜は、有機金属化学蒸着法用有機銅化合物にフッ素
が含有していないので剥離しにくい高純度の膜となる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を説明す
る。本発明の有機金属化学蒸着法用有機銅化合物は、上
記式(1)又は式(2)で示される一般式のR1がメチ
ル基であって、R2がイソブチル基である銅錯体(以
下、Cu(II)(6MHPD)2という。)か、又はR1がメ
チル基であって、R2がイソプロピル基である銅錯体
(以下、Cu(II)(2MHXD)2という。)か、或いは
1がイソブチル基であって、R2がt-ブチル基である
銅錯体(以下、Cu(II)(TMOD)2という。)であ
る。
【0015】具体的には、Cu(II)(6MHPD)2錯体
は式(4)と式(5)でそれぞれ示され、Cu(II)(2
MHXD)2錯体は式(6)と式(7)でそれぞれ示さ
れ、Cu(II)(TMOD)2錯体は式(8)と式(9)で
それぞれ示される。なお、式(4)と式(5)でそれぞ
れ示されるCu(II)(6MHPD)2錯体は配位子異性の
関係であり、式(6)と式(7)でそれぞれ示されるC
u(II)(2MHXD)2錯体や式(8)と式(9)でそれ
ぞれ示されるCu(II)(TMOD)2錯体もそれぞれ配位
子異性の関係である。
【0016】
【化6】
【0017】
【化7】
【0018】
【化8】
【0019】
【化9】
【0020】
【化10】
【0021】
【化11】
【0022】従来のCu(II)(DPM)2のような銅(II)
錯体は平面2配位の構造を有しているが、このような対
称性のよい平面2配位の構造では、有機銅化合物を気化
させて銅原子を基板へ到達する際には、銅原子が下地基
板に近づけないため、銅薄膜の核が発生し難くい問題が
あった。結果的に成膜速度が遅くなるだけでなく、銅薄
膜の核がまばらにしか形成されず、基板と銅薄膜との密
着性に悪影響を与えていた。この密着性及び成膜速度
は、初期の核成長と密接な関係があり、しいてはガスに
なるべき銅分子の化合物構造に起因する。
【0023】本発明の有機銅化合物は、銅金属に配位す
る配位子の基本骨格であるβ-ジケトン部分から分岐し
た原子団であるR1及びR2の構造及びこのR1及びR2
位置関係から、平面2配位の対称性が撓み、ずれ込むこ
とにより、融点が下がり、対称性のよい銅錯体よりも高
い蒸気圧が得られる。このような撓んだ構造は気化特性
上、非常に効果があり、気化し易く基板に到達し易いと
いう効果を有する。この気化し易いという性質は、銅化
合物ガスが基板上へ多量に供給されることにより、より
成膜速度が向上することを意味する。
【0024】また、原子団であるR1及びR2が撓んで平
面2配位構造の下部に位置することにより、基板上へ銅
化合物が到達する際に、従来の有機銅化合物を用いたと
きに比べ銅原子がより基板に近接する。そのため、銅化
合物の分解効率が高まるとともに、基板上への銅薄膜の
核成長が促される。従って基板表面に銅薄膜の核の発生
及び銅薄膜の成長速度が向上する。
【0025】本実施の形態では、MOCVD法には、有
機銅化合物を加熱された気化器に供給し、ここで有機銅
化合物を瞬時に気化させ、成膜室に送る溶液気化CVD
法を用いる。図1に示すように、MOCVD装置は、成
膜室10と蒸気発生装置11を備える。成膜室10の内
部にはヒータ12が設けられ、ヒータ12上には基板1
3が保持される。この成膜室10の内部は圧力センサー
14、コールドトラップ15及びニードルバルブ16を
備える配管17により真空引きされる。蒸気発生装置1
1は原料容器18を備え、この原料容器18は有機銅化
合物を貯蔵する。原料容器18にはガス流量調節装置1
9を介してキャリアガス導入管21が接続され、また原
料容器18には供給管22が接続される。供給管22に
はニードルバルブ23及び溶液流量調節装置24が設け
られ、供給管22は気化器26に接続される。気化器2
6にはニードルバルブ31、ガス流量調節装置28を介
してキャリアガス導入管29が接続される。気化器26
は更に配管27により成膜室10に接続される。また気
化器26には、ガスドレイン32及びドレイン33がそ
れぞれ接続される。この装置では、N2、He、Ar等
の不活性ガスからなるキャリアガスがキャリアガス導入
管21から原料容器18内に導入され、原料容器18に
貯蔵されている有機銅化合物を供給管22により気化器
26に搬送する。気化器26で気化されて蒸気となった
銅錯体は、更にキャリアガス導入管28から気化器26
へ導入されたキャリアガスにより配管27を経て成膜室
10内に供給される。成膜室10内において、銅錯体の
蒸気を熱分解させ、これにより生成した銅又は銅合金を
加熱された基板13上に堆積させて銅薄膜を形成する。
【0026】本発明の有機金属化学蒸着法用有機銅化合
物を用いて作製された銅薄膜は、下地膜と堅牢に密着
し、高純度である特長を有する。この銅薄膜は、例えば
シリコン基板表面のSiO2膜上にスパッタリング法又
はMOCVD法により形成されたTiN膜又はTaN膜
上にMOCVD法により形成される。なお、本発明の基
板はその種類を特に限定されるものではない。
【0027】
【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。 <実施例1及び2>先ず、塩化銅(II)10gをn-ヘキサ
ン100ccに注ぎ、懸濁液とした。この懸濁液に6-
メチルヘプタン-2,4-ジオナトナトリウム15gをゆ
っくり滴下し、24時間室温で攪拌した。次いで、得ら
れた反応液を濾過し、濾過後の残渣をヘキサン200c
cで再度溶解した。溶解液を0℃まで冷却し、有機銅化
合物Aを15g析出させた。更に濾液を2Torr、即
ち266Paに減圧して70℃に保持することにより溶
媒を除去して薄青色固体の有機銅化合物Bを10g得
た。得られた有機銅化合物Aを核磁気共鳴装置(1H-N
MR)で測定したところ、CH=δ6.01ppm、C
3=δ3.1ppm、CH3=δ2.1ppm、CH3
=δ4.1ppm及びH=δ4.7ppmの結果を得
た。またこの有機銅化合物Aの赤外吸収スペクトルを測
定したところ、2950、2910、2870、155
5、1500、1450、1300、1250、115
6、1152、1150、1020、950、880、
780、620、660及び500cm -1の位置にそれ
ぞれ吸収ピークを得た。これらの測定結果から上記式
(4)に示される有機銅化合物Cu(II)(6MHPD)2
の構造であることを同定した(実施例1)。
【0028】有機銅化合物Bを1H-NMRで測定したと
ころ、CH=δ6.02ppm、CH3=δ3.4pp
m、CH3=δ2.2ppm、CH3=δ4.0ppm及
びH=δ4.5ppmの結果を得た。またこの有機銅化
合物Bの赤外吸収スペクトルを測定したところ、295
0、2910、2870、1555、1500、145
0、1300、1250、1156、1152、115
0、1020、950、880、780、620、66
0及び500cm-1の位置にそれぞれ吸収ピークを得
た。これらの測定結果から上記式(5)に示される有機
銅化合物Cu(II)(6MHPD)2の構造であることを同
定した(実施例2)。
【0029】<実施例3及び4>6-メチルヘプタン-
2,4-ジオナトナトリウムの代わりに2-メチル-3,5
-ヘキサンジオナトナトリウムを用いた以外は実施例1
と同様にして有機銅化合物を合成し、有機銅化合物C及
びDをそれぞれ得た。得られた有機銅化合物Cを1H-N
MRで測定したところ、CH=δ5.91ppm、CH
3=δ3.4ppm、CH3=δ2.7ppm及びH=δ
5.5ppmの結果を得た。またこの有機銅化合物Cの
赤外吸収スペクトルを測定したところ、2960、29
30、1955、1560、1450、1250、11
00、1020、950、920、850、790及び
590cm-1の位置にそれぞれ吸収ピークを得た。これ
らの測定結果から上記式(6)に示される有機銅化合物
Cu(II)(2MHXD)2の構造であることを同定した
(実施例3)。
【0030】得られた有機銅化合物Dを1H-NMRで測
定したところ、CH=δ5.8ppm、CH3=δ3.
5ppm、CH3=δ2.4ppm及びH=δ5.6p
pmの結果を得た。またこの有機銅化合物Dの赤外吸収
スペクトルを測定したところ、2960、2930、1
955、1560、1450、1250、1100、1
020、950、920、850、790及び590c
-1の位置にそれぞれ吸収ピークを得た。これらの測定
結果から上記式(7)に示される有機銅化合物Cu(II)
(2MHXD)2の構造であることを同定した(実施例
4)。
【0031】<実施例5及び6>6-メチルヘプタン-
2,4-ジオナトナトリウムの代わりに2,2,2-トリメ
チルオクタン-3,5-ジオナトナトリウムを用いた以外
は実施例1と同様にして有機銅化合物を合成し、有機銅
化合物E及びFをそれぞれ得た。
【0032】得られた有機銅化合物Eを1H-NMRで測
定したところ、CH=δ5.5ppm、CH3=δ2.
9ppm、CH3=δ3.2ppm、H=δ5.1pp
m及びH=δ4.5ppmの結果を得た。またこの有機
銅化合物Eの赤外吸収スペクトルを測定したところ、2
960、2860、2720、1550、1510、1
420、1450、1300、1360、1230、1
160、1040、950、970、870、800、
700、590及び520cm-1の位置にそれぞれ吸収
ピークを得た。これらの測定結果から上記式(8)に示
される有機銅化合物Cu(II)(TMOD)2の構造である
ことを同定した(実施例5)。
【0033】得られた有機銅化合物Fを1H-NMRで測
定したところ、CH=δ5.5ppm、CH3=δ2.
9ppm、CH3=δ3.2ppm、H=δ5.1pp
m及びH=δ4.5ppmの結果を得た。またこの有機
銅化合物Fの赤外吸収スペクトルを測定したところ、2
960、2860、2720、1550、1510、1
420、1450、1300、1360、1230、1
160、1040、950、970、870、800、
700、590及び520cm-1の位置にそれぞれ吸収
ピークを得た。これらの測定結果から上記式(9)に示
される有機銅化合物Cu(II)(TMOD)2の構造である
ことを同定した(実施例6)。
【0034】<比較例1>6-メチルヘプタン-2,4-ジ
オナトナトリウムの代わりに2,2,6,6-テトラメチル
-3,5-ヘプタンジオナトナトリウムを用いた以外は実
施例1と同様にして有機銅化合物を合成し、Cu(II)
(hfac)2を得た。 <比較例2>6-メチルヘプタン-2,4-ジオナトナトリ
ウムの代わりにヘキサフルオロアセチルアセトナトナト
リウムを用いた以外は実施例1と同様にして有機銅化合
物を合成し、Cu(II)(DPM)2を得た。
【0035】<比較試験1>実施例1〜6及び比較例
1,2で得られた有機銅化合物をそれぞれ5種類用意し
た。基板として、基板表面のSiO2膜(厚さ5000
Å)上にスパッタリング法によりTiN膜(厚さ30n
m)を形成したシリコン基板を用意した。用意した基板
を図1に示すMOCVD装置の成膜室に設置し、基板温
度を180℃とした。気化温度を70℃、圧力を5to
rr即ち約665Paにそれぞれ設定した。キャリアガ
スとしてArガスを用い、その流量を100ccmとし
た。溶液原料を0.5cc/分の割合で供給し、1、
5、10、20及び30分となったときにそれぞれ1種
類ごとに成膜室より取り出し、基板上に成膜された銅薄
膜について以下に示す試験を行った。
【0036】 膜厚測定 成膜を終えた基板上の銅薄膜を断面SEM(走査型電子
顕微鏡)像から膜厚を測定した。 剥離試験 各成膜時間で取り出した銅薄膜を形成した基板に対して
剥離試験(JIS K5600−5−6)を行った。具
体的には、先ず、基板上の銅薄膜にこの膜を貫通するよ
うに縦横それぞれ6本づつ等間隔に切込みを入れて格子
パターンを基板に形成した。次に、形成した格子パター
ンの双方の対角線に沿って柔らかいはけを用いて前後に
ブラッシングした。
【0037】 熱安定性評価試験 図2に示す試験装置を用いて以下の試験を行った。この
図2に示す装置は、図1に示すMOCVD装置の成膜室
を取り除いた構成を有する。先ず、室温で70℃に加熱
した気化器26まで溶液原料を搬送し、5Torrの減
圧下で70℃に加熱して溶液原料を気化させ、その後に
気化器26下段のポンプ側に設けられたコールドトラッ
プ15にて気化後の化合物を捕獲した。装置内に投入し
た原料に対する捕獲量からトラップ回収率を算出した。
また、圧力センサーにより気化器内部における圧力上昇
を測定した。例えば、表中の数値が60%閉塞ならば、
5Torrの1.60倍の圧力が気化器内で生じている
ことを表す。実施例1〜6及び比較例1,2を表1にそ
れぞれ得られた試験結果を示す。
【0038】
【表1】
【0039】表1より明らかなように、比較例1及び2
の有機銅化合物を用いて成膜された銅薄膜は成膜時間当
たりの膜厚にばらつきがあり、成膜再現性が悪いことが
判る。また成膜速度も非常に遅い。また密着性評価試験
では、殆どのサンプルにおいて基板表面から銅薄膜が剥
離してしまっていた。熱安定性評価試験では、トラップ
回収率が低く、大部分が装置内部に付着してしまったと
考えられる。また気化器内部の圧力上昇値も成膜時間が
長くなるにつれて上昇しており、分解物が気化器内部や
配管内部に付着して圧力上昇したと考えられる。これに
対して実施例1〜6の溶液原料を用いて作製された銅薄
膜は、成膜時間が進むに従って膜厚も厚くなっており、
成膜安定性が高いことが判る。密着性評価試験では、1
00回中96〜99回と、どの実施例においても殆どの
銅薄膜が剥離せず、非常に密着性が高いことが判る。熱
安定性評価試験では、58〜77%範囲内の高いトラッ
プ回収率を示し、気化器内部の圧力上昇値も1%程度と
殆ど閉塞するおそれがない。
【0040】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の上記式
(1)又は式(2)に示される有機銅化合物は、銅(II)
錯体の平面2配位の対称性を撓ませた構造を有するた
め、対称性のよい銅錯体よりも高い蒸気圧が得られるた
め気化し易く、成膜時に安定した原料供給ができるとと
もに、成膜速度の向上が計れる。また、化合物中にフッ
素が含まれていないため、MOCVD装置が腐食しにく
く、MOCVD工程における排ガス処理を複雑にするこ
とがない。
【0041】また本発明の有機銅化合物を用いてMOC
VD法により成膜した銅薄膜は、下地膜と堅牢に密着す
る高純度の膜となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MOCVD装置の概略図。
【図2】本発明の実施例に使用される装置を示す概略
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小木 勝実 茨城県那珂郡那珂町向山1002番地14 三菱 マテリアル株式会社総合研究所那珂研究セ ンター内 Fターム(参考) 4H006 AA01 AB91 4H048 AA01 AB91 AC41 BB11 VA20 VA56 VB10 VB40 VB80 4K030 AA11 BA01 CA04 CA12 FA10 4M104 BB04 DD45

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 次の式(1)又は式(2)で示される有
    機金属化学蒸着法用有機銅化合物。 【化1】 【化2】 但し、R1がメチル基であって、R2がイソブチル基であ
    るか、又はR1がメチル基であって、R2がイソプロピル
    基であるか、或いはR1がイソブチル基であって、R2
    t-ブチル基である。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の有機金属化学蒸着法用有
    機銅化合物を用いて有機金属化学蒸着法により作製され
    た銅薄膜。
JP2002053412A 2002-02-28 2002-02-28 有機金属化学蒸着法用有機銅化合物及びそれを用いて作製した銅薄膜 Pending JP2003252823A (ja)

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