JP4079591B2 - 金属被膜の化学蒸着法 - Google Patents
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Description
(技術分野)
一般的に言って、本発明は、半導体基体上への金属被膜(metal film)の化学蒸着(CVD)に関し、更に詳細には、比較的なめらかでありかつ低抵抗率を有する金属被膜の被覆を有する基体表面を製造する方法に関する。
【0002】
(背景技術)
集積回路(IC)の形成において、しばしば金属およびメタロイド元素を含む薄い被膜を半導体基体の表面上に蒸着させて回路の中におよびICの種々なデバイス(devices)の間に導電性およびオーム接点を提供する。例えば、所望の金属の薄い被膜を、半導体基体上の接点の暴露表面に、または孔を介して、適用させてもよい。基体上の絶縁層を通して通過する被膜は、絶縁層を横切って内部連絡させる目的のための導電性物質のプラグ(plugs)を提供する。
【0003】
薄い金属被膜を付着させるための既知方法の1つに化学蒸着法(CVD)がある。CVDにおいては、薄被膜は、基体の表面において、種々な付着または反応体ガスの間の化学反応を用いて蒸着される。反応体ガスを反応室内部の基体に近接してポンプで入れ、次いで基体表面において反応させ、暴露された基体表面上に被膜を形成する1種以上の反応副生成物となる。
【0004】
化学蒸着法により基体上に蒸着された薄い金属被膜は、なめらかな鏡のような表面形態を有している。しかし、より多くの被膜が蒸着されるにつれて被膜の表面形態は、被膜の厚さに直接比例して粗くかつ曇ってくる。粗い表面は望ましくない。なぜなら、それは電気移動を生じ、それにより高電流密度下で電子を流すことによって発揮される力によって金属原子が粒界にそって移動するからである。その結果として、金属ライン(metal lines)の一端においてボイド(voids)が形成され、そして他端において押し出し(extrusions)が形成される。これは、ボイドの領域において回路が破損される確率の増加へと導く。
【0005】
なめらかな表面形態に加えて、銅被膜を蒸着させる場合には、被膜が純粋な銅金属の抵抗率である1.68マイクロオーム−cm(μohms−cm)のバルク抵抗率(bulk resistivity)に近い抵抗率を有することが半導体基体の商業的な製造のために望ましい。約2マイクロオーム−cmより高い抵抗率を有する銅被膜は、製造技術としては実行可能性がより少ない。なぜなら、同様の高抵抗率を有する他の金属により銅を置き換えることができるからである。被膜の抵抗率に影響を与える因子には、被膜の厚さ、密度、純度、および粒子サイズ(grain size)が含まれる。
【0006】
欧州特許出願0288754号公報には、シリコン基体上に厚く低応力のタングステンを蒸着させる方法が開示されている。その方法は、六フッ化タングステンのCVDによりタングステン層を蒸着させることを包含する。基体のシリコンは、WF6と反応してフッ化シリコンおよびタングステンを形成する。次の工程は、プラズマ蒸着によるシリコン層の蒸着である。これらの2つの工程は、所望のタングステンの厚さが達成されるまで繰り返される。
Eisenbraunらの論文である“Enhanced Growth of Device−Quality Copper by Hydrogen Plasma−Assisted Chemical Vapor Deposition”Applied Physics Letters,Vol.60,No.25,June 1992,pages 3126−3128には、水素プラズマを用いて160〜170℃の温度、1.3〜1.7Torr(173.3〜226.7N/m2)の圧力及び15〜30Wの範囲の水素プラズマパワーで銅被膜が蒸着され得ることが記載されている。その被膜は緻密で高度に均一であると考えられている。
【0007】
(発明の概要)
本発明の1つの目的は、基体の表面上に、実質的になめらかな表面形態を有する金属被膜を提供することである。
【0008】
本発明の他の目的は、基体の表面上に、低抵抗率を有する金属被膜を提供することである。
【0009】
本発明のさらに他の目的は、基体の表面上に、実質的になめらかな表面形態および低抵抗率を有する銅被膜を提供することである。
【0010】
本発明のなおさらに他の目的は、実質的になめらかな表面形態および約2マイクロオーム−cmより小さい抵抗率を有する約750Åより大きい厚さの銅被膜の被覆を有する基体を提供することである。
【0011】
特に、本発明は、基体の表面上に、なめらかな表面形態および低抵抗率を有する金属被膜を蒸着する方法に指向される。更に詳細には、本発明は、基体の表面上に、なめらかな表面形態および約750Åより小さい厚さの銅被膜に匹敵する抵抗率を有する約750Åより大きい厚さを有する銅被膜を蒸着する方法に指向される。
【0012】
本発明の原理により、化学蒸着によって基体の少なくとも1つの表面上に第1の金属被膜を蒸着し;基体上に蒸着された該第1の金属被膜を有する基体をプラズマに暴露し;そして第2の金属を含有するガスの化学蒸着によって基体表面上の第1の金属被膜の上面の上に第2の金属被膜を蒸着させる、諸工程を含む方法であって、該方法が、第1の金属被膜を蒸着する前に基体をプラズマに暴露する予備工程を含み、第2の金属被膜が、第1の金属被膜を該金属含有ガスに曝露することにより蒸着する、ことを特徴とする方法が提供される。追加の被膜の層を蒸着しそしてプラズマに暴露する連続サイクルを行って所望の厚さの被膜を造ってもよい。好ましい態様においては、プラズマは水素/アルゴンのプラズマであり、被膜は銅の被膜である。本発明の方法を使用して蒸着された銅の被膜は、純粋な銅金属のバルク抵抗率に近い抵抗率を示しかつ実質的になめらかな表面形態を有する。
【0013】
それ故、前述したように、化学蒸着法により基体上に蒸着されたなめらかな表面形態および低抵抗率の厚い金属被膜を提供する方法が提供される。これらの目的およびその他の目的は、添付図面およびそれらの記載から明らかになるであろう。
【0014】
(図面の簡単な説明)
第1図は、サセプタ−(suscepter)および基体の概略図である。
【0015】
第2図は、銅CVDのための反応室の概略断面図である。
【0016】
(図面の詳細な説明)
第1図に関し、銅CVDの間の半導体基体22のためのサセプター20が示される。典型的なサセプター20は、その上面26aおよび側面26bの上に自然酸化物層24を有している。基体22は、加工処理のためにサセプター20の上に支持されている。基体22は、その上面28として、約10Å〜約20Åの厚さの自然酸化物層30を有している。この上面層30は、順番に、約500Åの厚さのTiN層32の上面にあり、TiN層32は、順番に、シリコン34の層の上に被覆されている。
【0017】
第2図に関し、化学蒸着法により半導体基体22の表面28上に銅を蒸着させるための反応器45が例示される。反応器45には、加工処理空間48を囲む反応室46が含まれる。サセプター20の上に基体22を含むように示されている反応室46の中に、CVDのための反応体ガスが加工処理空間48に供給される。米国特許第5,628,829号“Method and apparatus for low temperature deposition of CVD and PECVD films”(この特許は、本発明の譲り受け人に譲渡されており、かつそれにより、その明細書の記載は本明細書の記載の中に援用される)に記載されているようなガス供給系により、CVD法のためのガスの適当な流れおよび分布が提供される。一般的に、ガス供給系には、反応室46中に平らなシャワーヘッド50のようなガス分散用要素が含まれる。シャワーヘッド50は、導入される反応体ガスを反応室46の加工処理空間48の四方に散布してサセプター20および基体22に近いガスの均質な分布および流れを確保する。均質なガスの分布および流れは、均質な効率のよい蒸着法、密着したプラズマおよびなめらかな(均質な)蒸着被膜のために望ましい。
【0018】
銅被膜の蒸着のためには、銅前駆体、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(CuI(hfac)(tmvs))の2分子を反応させ、次の不均化反応において銅金属を生成させる:
2CuI(hfac)(tmvs)−Cu0+CuII(hfac)2+2(tmvs)
tmvs配位子は、その蒸発段階の間に前駆体を安定化し、そしてhfac配位子は、前駆体を基体表面においてより高い金属化率の方へ活性化する。反応室46における典型的な条件は次の如くである:基体温度は約170℃;反応圧力は約0.5torr〜約2.0torr(66.66〜266.64N/m2);前駆体の流れは液体の約0.2mL/分〜約1.0mL/分(蒸気の約16〜80sccmに等しい);および希釈剤の流れは約100sccm。
【0019】
本発明の1つの態様によれば、反応器45には、サセプター20の上に加工処理のための基体22を置く前に、または置いた後に、サセプター20を水素/アルゴンのプラズマに暴露するためのプラズマ発生装置51が装備される。サセプター20を水素/アルゴンのプラズマに暴露するための装置51は、係属中の米国特願第08/797,397号“Process for chemical vapor deposition for tungsten onto a titanium nitride substrate surface”(この特許出願は、本発明の譲り受け人に譲渡されている)に記載されているタイプでよい。好ましくは、装置51には、シャワーヘッド50に取り付けられており450KHzを発生することが可能な高周波(RF)発生器52が含まれる。
【0020】
本発明方法において、サセプター20の上に支持されている基体22は、反応室46内において水素/アルゴンのプラズマに暴露される。反応室46における条件は次の如くである:室内圧力は約1torr(133.32N/m2);パワーは約750W;周波数は約450KHz;水素の流れは約200sccm;アルゴンの流れは約50sccm;時間は約10秒;および基体温度は約170℃。
【0021】
銅I(hfac)(tmvs)は、基体22の上に化学蒸着法によって薄い層に蒸着され、薄い銅の被膜を形成する。好ましい態様に置いて、銅の被膜は約500Åの厚さである。反応室46における条件は次の如くである:基体温度は約170℃;室内圧力は約0.5〜2.0torr(66.66〜266.64N/m2);前駆体の流速は約0.2〜1.0mL/分;および希釈剤の流速は約100sccm。
【0022】
次いで、基体22は、プラズマを暴露するための前述の条件と同じ条件下で水素/アルゴンのプラズマに暴露される。次いで、銅の第2の薄層は、銅を蒸着させるために前述したような反応室46における条件下で第1層の上面の上に蒸着される。好ましくは、第2の銅被膜層は約300Åの厚さである。プラズマへの暴露とそれに続く銅の蒸着の続く追加のサイクルを用いて所望の厚さの銅被膜を造ることができる。
【0023】
本発明についてそれらの態様を記載することにより説明し、例示態様をかなり詳細に記載したが、追加の利点および変更は当業者にとって容易に分かるであろう。例えば、サセプター20は、同時に出願された表題“Method of eliminating edge effect in chemical vapor deposition of a metal”の出願に記載されているように、基体22上の周辺効果(edge effect)を排除するために金属被膜で前処理してもよい。
本発明に関して、更に以下の内容を開示する。
(1) (a)基体をプラズマに暴露し、
(b)基体の少なくとも1つの表面上に第1の金属被膜を蒸着し、
(c)基体上に蒸着された被膜を有する基体をプラズマに暴露し、そして
(d)基体表面上の第1の金属被膜の上面の上に第2の金属被膜を蒸着させる、
諸工程を含む、化学蒸着法によって半導体基体表面上に金属被膜を蒸着する方法。
(2) 工程(c)および(d)を繰り返し、所望の被膜の厚さを達成させることをさらに含む、(1)の方法。
(3) 暴露工程(a)および(c)は、基体を水素/アルゴンのプラズマに暴露することを含み、そして蒸着工程(b)および(d)は、銅の被膜を蒸着することを含む、(1)の方法。
(4) 工程(c)および(d)を繰り返し、所望の被膜の厚さを達成させることをさらに含む、(3)の方法。
(5) 蒸着工程を、約0.1〜10torr(約13.33〜1333.22N/m 2 )の範囲における圧力下、好ましくは約0.5〜2.0torr(約66.66〜266.64N/m 2 )の範囲における圧力下の反応室内において行う、(3)の方法。
(6) 蒸着工程を、約0.01mL/分〜約5mL/分の範囲における前駆体の流れ、好ましくは約0.2mL/分〜約1.0mL/分の範囲における前駆体の流れで反応室内において行う、(3)の方法。
(7) 蒸着工程を、約10〜1500sccmの範囲、好ましくは約100sccmの水素流のもとで反応室内において行う、(3)の方法。
(8) 蒸着工程を、約120〜280℃の範囲、好ましくは約170℃のサセプター温度で反応室内において行う、(3)の方法。
(9) 暴露工程を、約0.1〜25torr(約13.33〜3333.05N/m 2 )の範囲、好ましくは約1torr(約133.32N/m 2 )の圧力下で反応室内において行う、(3)の方法。
(10) 暴露工程を、約50〜1500Wの範囲、好ましくは約750Wのパワーで反応室内において行う、(3)の方法。
(11) 暴露工程を、約250〜500KHzの範囲、好ましくは約450KHzの周波数で反応室内において行う、(3)の方法。
(12) 暴露工程を、約50〜5000sccmの範囲、好ましくは約200sccmの水素流のもとで反応室内において行う、(3)の方法。
(13) 暴露工程を、約10〜1500sccmの範囲、好ましくは約50sccmのアルゴン流のもとで反応室内において行う、(3)の方法。
(14) 暴露工程を、約120〜280℃の範囲、好ましくは約170℃のサセプター温度で反応室内において行う、(3)の方法。
(15) 暴露工程を、約2〜240秒の範囲、好ましくは約10秒の時間、反応室内において行う、(3)の方法。
(16) (a)サセプター上に支持された基体を水素/アルゴンのプラズマに暴露し、
(b)基体の少なくとも1つの表面上に約500Åの厚さの第1の銅被膜を蒸着し、
(c)銅被膜を含む基体を水素/アルゴンのプラズマに暴露し、そして
(d)基体の表面上の第1の銅被膜の上面の上に、約300Åの厚さの第2の銅被膜を蒸着させる、
諸工程を含む、半導体基体上にCVD銅被膜を形成する方法。
(17) 工程(c)〜(d)を繰り返し、所望の被膜の厚さを達成させることをさらに含む、(16)の方法。
(18) (1)の方法の生成物。
(19) (2)の方法の生成物。
(20) (3)の方法の生成物。
(21) (4)の方法の生成物。
(22) (16)の方法の生成物。
(23) (17)の方法の生成物。
(24) 基体表面上に、実質的になめらかな表面形態および低抵抗率を有する厚い金属被膜を形成する方法。基体をプラズマに暴露する。化学蒸着法により第1の薄い金属被膜を基体上に蒸着する。基体上に蒸着された被膜を有する基体をプラズマに暴露し、そして第2の薄い金属被膜を第1の被膜の上面の上に蒸着させる。次いで、所望の被膜の厚さが得られるまでプラズマに暴露および被膜の蒸着のサイクルにかけてもよい。得られた被膜はなめらかな表面形態および低抵抗率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1図は、サセプターおよび基体の概略図である。
【図2】 第2図は、銅CVDのための反応室の概略断面図である。
Claims (15)
- (a)化学蒸着によって基体(22)の少なくとも1つの表面上に第1の金属被膜を蒸着し、
(b)基体上に蒸着された該第1の金属被膜を有する基体をプラズマに暴露し、そして
(c)第2の金属を含有するガスの化学蒸着によって基体表面上の第1の金属被膜の上面の上に第2の金属被膜を蒸着させる、
諸工程を含む半導体基体表面上に金属被膜を蒸着する方法であって、
該方法が、第1の金属被膜を蒸着する前に基体をプラズマに暴露する予備工程を含み、第2の金属被膜が、第1の金属被膜を該金属含有ガスに暴露することにより蒸着し、
しかも、前記半導体基体表面上に蒸着した金属被膜が、なめらかな表面形態および2マイクロオーム−cmより小さい抵抗率を有する750Åより大きい厚さの銅被膜の被覆である、ことを特徴とする方法。 - (a)化学蒸着によって基体(22)の少なくとも1つの表面上に第1の金属被膜を蒸着し、
(b)基体上に蒸着された該第1の金属被膜を有する基体をプラズマに暴露し、そして
(c)第2の金属を含有するガスの化学蒸着によって基体表面上の第1の金属被膜の上面の上に第2の金属被膜を蒸着させる、
諸工程を含む半導体基体表面上に金属被膜を蒸着する方法であって、
該方法が、第1の金属被膜を蒸着する前に基体をプラズマに暴露する予備工程を含み、第2の金属被膜が、第1の金属被膜を該金属含有ガスに暴露することにより蒸着し、
しかも、前記半導体基体表面上に蒸着した金属被膜が、なめらかな表面形態および2マイクロオーム−cmより小さい抵抗率を有する750Åより大きい厚さの銅被膜の被覆であり、
暴露工程は、水素とアルゴンとを両方含むプラズマに基体を暴露することを含み、そして蒸着工程は、銅の被膜を蒸着することを含む、ことを特徴とする方法。 - 工程(b)および(c)を繰り返し、所望の被膜の厚さを達成させることをさらに含む、請求項1又は2の方法。
- 蒸着工程を、0.1〜10torr(13.33〜1333.22N/m2)の範囲における圧力下の反応室(46)内において行う、請求項1〜3のいずれか1項の方法。
- 蒸着工程を、0.01mL/分〜5mL/分の範囲における前駆体の流れで反応室(46)内において行う、請求項1〜4のいずれか1項の方法。
- 蒸着工程を、10〜1500sccmの範囲の水素流のもとで反応室(46)内において行う、請求項1〜5のいずれか1項の方法。
- 蒸着工程を、120〜280℃の範囲のサセプター温度で反応室(46)内において行う、請求項1〜6のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、0.1〜25torr(13.33〜3333.05N/m2)の範囲の圧力下で反応室(46)内において行う、請求項1〜7のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、50〜1500Wの範囲のパワーで反応室(46)内において行う、請求項1〜8のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、250〜500KHzの範囲の周波数で反応室(46)内において行う、請求項1〜9のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、50〜5000sccmの範囲の水素流のもとで反応室(46)内において行う、請求項1〜10のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、10〜1500sccmの範囲のアルゴン流のもとで反応室(46)内において行う、請求項1〜10のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、120〜280℃の範囲のサセプター温度で反応室(46)内において行う、請求項1〜12のいずれか1項の方法。
- 暴露工程を、2〜240秒の範囲の時間、反応室(46)内において行う、請求項1〜13のいずれか1項の方法。
- 半導体基体;
前記基体をプラズマに暴露し、そして、化学蒸着によって前記基体の少なくとも1つの表面上に第1の金属被膜を蒸着させることにより形成された第1の金属被膜;及び
前記基体上に蒸着された該第1の金属被膜を有する前記基体をプラズマに暴露し、そして、第2の金属を含有するガスに該第1の金属被膜を暴露することによる該第2の金属を含有するガスの化学蒸着によって前記基体表面上の前記第1の金属被膜の上面の上に第2の金属被膜を蒸着させることにより形成された第2の金属被膜:
を含み、しかも、前記半導体基体表面上に蒸着した金属被膜が、なめらかな表面形態および2マイクロオーム−cmより小さい抵抗率を有する750Åより大きい厚さの銅被膜の被覆である、請求項1〜14のいずれか1項の方法により得られる生成物。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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