JPH01301865A

JPH01301865A - 薄膜成長方法および薄膜成長装置

Info

Publication number: JPH01301865A
Application number: JP13032688A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Awaya; 信義粟屋; Mutsunobu Arita; 有田　睦信
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-05-30
Filing date: 1988-05-30
Publication date: 1989-12-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は半導体装置に用いる電極配線用金属薄膜を成長
させるＲ膜成長方法およびその成長装置に関するもので
ある。

［従来の技術〕半導体集積回路において用いられるｔ極配線は、各種の
金属薄膜形成法によって形成されている。現在その主流
であるシリコン半導体においては、その電極配線材料と
しては主にアルミニウムが使用されている。しかし、半
導体集積回路の微細化にともない電流、熱、および応力
によるアルミニウム原子の移動（マイグレーション）に
起因する電極配線の断線が大ぎな問題となってきている
。また、マイグレーションに対する耐性が強いタングス
テンおよびモリブデンは、電気抵抗が大きく、集積回路
の微細化にともない電極配線における電圧降下および遅
延が大きな問題となってきている。

そこで、マイグレーションに対する耐性が高く、抵抗が
低い材料として銅を電極配線材料として用いることが検
討されている。しかし、これらの方法は蒸着法、または
スパッタリング法によるもので、急峻な段差および微細
なコンタクトホールに対して被奮性良く堆積することは
困難であった。これらの方法に対して化学気相成長法は
段差被覆性の優れた金属薄膜形成法である。銅の化学気
相成長法としては、銅アセチルアセトナト、銅ヘキサフ
ロロアセチルアセトナトを蒸発させ、これらの有機錯体
を試料上で熱分解させることで銅薄膜を形成する方法（
ｌ］、ｓ、Ｐ、２，８３３．６７６）、（Ｕ、Ｓ、Ｐ。

２．７０４，７２８）　、および（ｔｌ、ｓ、Ｐ、３，
６９７，３４２）およびレーザによる有機金属化合物の
熱分解、および紫外線による有機金属化合物の光化学分
解などの方法が実施されている（ＨｏｕＪｅ、Ａｐｐｌ
、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、。

ｖｏｌ、４δ（Ｎｏ、　２）　１５　、２０４　、１９
８５）　ｆＨｏｕｌｅ　、　Ｊ　、νａｃ、ｓｃｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ、、Ａ４（６）２４５２．１９８５）。

これらの方法の中で熱分解法、およびレーザによる熱分
解の方法では、銅は堆積初期において数千オングストロ
ームまでは島状の成長をしており、その後柱状の成長に
移る。島状成長の状態では、銅膜の抵抗は銅固有の抵抗
の数百倍から数千倍になるため、薄い銅膜としての利用
が困難である。また柱状成長に移った後も銅の抵抗値は
銅固有の抵抗値の数倍であり、さらに、一部にひげ状結
晶が成長しやすく均一な銅膜として問題があった。紫外
線による光化学分解をもちいる方法では、形成した銅膜
は酸素および炭素を多量に含み金属としての性質をもた
ない。

一方、化合物半導体の電極配線には金が使用されている
が、膜形成は蒸着法またはスパッタリング法を用いてい
るため段差被覆性に問題があり、今後の集積回路の微細
化にともない限界がある。

金においても有機錯体であるジメチル金アセチルアセト
ナトの熱分解で化学気相成長法による堆積が行われてい
るが（Ｂａｕｍ、Ｊ　、ＥＩｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏ
ｃ、ｖｏｌ。

１３４、ｎｏ、ｌＯ，２６１６，１９８７）、銅の場合
と同じく初期は島状の成長を行い、抵抗が低い薄膜を得
ることが困ｔｔｉである。

［発明が解決しようとする課題］本発明の目的は上述した問題点を解消し、マイグレーシ
ョン耐性の強い金属を化学気相成長法により、金属固有
の低抵抗かつ段差？Ｉｉｉ覆性の潰れた薄膜を高速で均
一性よく形成することにある。

［課題を解決するための手段］かかる目的を達成するために、本発明の薄膜成長方法の
第１の形態は、銅または金が配位した金属錯体を蒸発さ
せ、蒸発した金属錯体を還元性ガスと共に反応室内に導
入し、反応室内の加熱された試料上で金属錯体を分解し
て、銅または金を試料上に堆積させることにより薄膜を
成長させることを特徴とする。

本発明の薄膜成長方法の第２の形態は、予め放電により
分解した還元性ガスにより、銅または金が配位した金属
錯体を還元して、銅または金を試料上に堆積させること
により薄膜を成長させることを特徴とする。

本発明の薄膜成長方法の第３の形態は、予め放電により
分解した還元性ガスと、銅または金が配位した金属錯体
とを加熱した試料上に導入し、紫外光を照射することに
より、金属錯体を分解して銅または金を試料上に堆積さ
せることにより薄膜を成長させることを特徴とする。

本発明の薄膜成長装置の第１の形態は、反応室と、反応
室内に設けられ、試料を加熱する試料加熱台と、反応室
内に設けられ、加熱台と対向する位置に設けられたガス
導入部と、反応室内にプラズマを発生させるプラズマ発
生手段とを有し、ガス導入部に、原料ガスを加熱し、原
料ガスを蒸発させる加熱蒸発手段が接続されていること
を特徴とする。

本発明の薄膜成長装置の第２の形態は、放電室と堆積室
とから構成される反応室と、放電室に放電を生ぜしめ、
放電室内に導入される還元性ガスを分解させる放電手段
とを具え、堆積室内には試料を加熱する試料加熱台と、
試料加熱台と対向する位置にガス導入部とが設けられ、
ガス導入部に原料ガスを加熱し、原料ガスを蒸発させる
加熱蒸発手段が接続されていることを特徴とする。

本発明の薄膜成長装置の第３の形態は、放電室と堆積室
とから構成される反応室と、放電室に放電を生ぜしめ、
放電室内に導入される還元性ガスを分解させる放電手段
とを具え、堆積室内には試料を加熱する試料加熱台と、
堆積室の底部に紫外光が通過する窓とが設けられ、かつ
試料加熱台と、窓との間に、蒸発した原料ガスを堆積室
内に供給する供給手段が設けられていることを特徴とす
る。

［作　用］本発明によれば、プラズマによって原料ガス、この場合
、金属錯体を分解すると共にかつ活性化された還元性ガ
スにより気相中の金属錯体を還元し、金属を析出しやす
い側に移行させ、島状成長となるのを防止する。それと
同時に、還元性ガスにより原料ガス中に含まれる炭素お
よび酸素が金属中に混入することを防止して、かつ原料
ガスの分解を促進することにより、低抵抗の均一な膜を
高速で形成することかできる。均一性よく膜が形成され
るので、急峻な段差および微細なコンタクトホールに対
して被覆性が良くなる。

［実施例コ本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１第１図は、高周波印加平板電極を用いた場合の薄膜成長
装置の概略断面図である。

ステンレス製の反応室１内に高周波電圧を印加して基板
を加熱する機構を有する電極２に、試料３が取り付けら
れている。電極２に対向する位置に、ガス射出口と加熱
機構を有する接地電極４が設けられている。接地電極４
は固体原料を収納する原料容器５と接続しており、原料
容器５に取り付けられたヒー！６により、原料容器５内
の固体原料を加熱して蒸発させる。蒸発した原料ガスは
、配管７から供給される、例えば、水素ガスのような還
元性ガスと共に、接地電極４のガス射出口を通して反応
室１内に供給される。原料容器５はバルブ８により反応
室１から取り外すことができるように構成されている。

また、反応室ｌ内の圧力は排気ポンプ９により減圧状態
に維持される。

次に、第１図に示した装置を用い、ビスアセチルアセト
ナト銅を固体原料としてい用いて、試着３上釘銅を堆積
する例について説明する。

まず、原料容器５内にビスアセチルアセトナト銅を収納
した後、原料容器５の温度を１５０℃から１９０℃まで
の温度範囲に加熱する。原料容器５を加熱する時、接地
電極４もまた原料容器５の温度と同じ温度もしくはそれ
以上の温度にまで加熱して、ビスアセチルアセトナト銅
が接地電極４へ析出するのを防止する。次に、配管７か
ら還元性ガスとして水素ガスを１００ｃｃ／＋ｉｎの流
速で原料容器５内に導入して、蒸発したビスアセチルア
セトナト銅のガスと共に反応室１内に導入する。

反応室１内の全圧力は２００からｌ０００Ｐａの減圧状
態とする。また、試料３の温度を　２００℃から３００
℃の範囲に保ち、高周波放電電力０．０５Ｗ／ｃ＋ｏ’
からＩＷ／ｃｍ２の条件のもとで、高周波放電によりビ
スアセチルアセトナト銅を分解し、加熱された試料３上
に銅を堆積させた。試料３上に銅か析出することにより
形成された銅膜の堆積速度は　１００人／ｃｒｏ２ｈ）
ら　２００人／ｃｒａ２であった。

第２図は、基板温度と希釈するガス（水素、ヘリウム、
およびアルゴン）による抵抗率との関係の一例を示す特
性図である。第２図において、折線Ａは水素で希釈した
場合に得られたものであり、基板の温度が約２８０℃に
おいて、最小値で１．８　Ｘｌ０−６Ω・Ｃｌ１１の低
抵抗率を示す。この際の銅薄膜は鏡面状であった。基板
の温度が４００℃においては高抵抗値を示し、基板の温
度が１００℃の際には絶縁膜が堆積した。

次に比較例として、不活性ガスであるヘリウム、アルゴ
ンを配管７から導入して、試料３上に析出し形成された
銅膜の抵抗率を測定した。希釈ガスとしてヘリウムおよ
びアルゴンを用いて試料上に得られる銅膜の抵抗率は、
それぞれ第２図の直線ＢおよびＣで示されるように、膜
中の炭素や酸素を除去することができないことにより、
高低ある。基板の温度が１０（１℃ではビスアセチルア
セトナト銅の分解が充分でな（、絶縁膜が堆積する。

第３図に、熱分解法によって形成した銅膜の比抵抗と、
本実施例によって形成した銅膜の比抵抗とを比較して示
す。第３図において、横軸は銅膜の膜厚であり、縦軸は
銅膜の比抵抗である。なお、縦釉上にバルクのアルミニ
ウムの抵抗とバルクの銅の比抵抗の値を示した。熱分解
法によって形成した銅膜の比抵抗は、銅本来の比抵抗と
比較して、銅膜の厚さ２０００人において３桁、銅膜の
厚さ４０００人において１桁高い比抵抗を示す。これに
対して銅膜の比抵抗は、その膜厚が１５００人より厚い
とばぼバルク並の性質を示す。

原料としてビスヘキサフロロアセチルアセトナト鋼また
はビスビトロイルメタナト銅を用いた場合は、蒸気圧が
高いため、原料容器５および接地電極の温度範囲を５０
℃から　１１０℃の間に設定する。ヒータ６により原料
容器５を加熱することにより蒸発したビスヘキサフロロ
アセチルアセトナト鋼またはビスビトロイルメタナト銅
の蒸気を反応室１内に導入して、試料上に銅をビスアセ
チルアセトナト銅の堆積条件と同様の条件で、堆積させ
た。得られた’ｉＡ＠は鏡面状で低抵抗であった。

以上のような反応は、第４八図、第４Ｂ図に示すような
薄膜成長装置を用いても実施することができる。

第４Ａ図では、接地電極ｌＯ側に試料３を取り付け、接
地電極と対向し、高周波電源（ＲＦ）から電圧を印加す
る電極１１のガス射出口より、原料ガス蒸気を水素ガス
と共に反応室内に供給する。ここで、原料ガス蒸気は、
固体原料を収納した原料容器５をヒータ６により加熱す
ることによって得られる。また、水素ガスは配管７から
導入する。

第４Ｂ図では、反応室内に、試料３を加熱する加熱台１
３が設けられている。この加熱台１３と対向した位置に
、加熱機構を有するガス導入口１４を設ける。原料容器
５に収容された固体原料はヒータ６により加熱されて蒸
発する。蒸発した原才１ガスは、配管７を通して導入さ
れる水素ガスと共に反応室内に供給される。反応室内に
供給されたガスは、誘導コイル１２に高周波電圧を印加
させることにより放電を生ぜしめ、銅錯体を分解させる
ことにより、試料３上に銅を析出させる。

ジメチル金アセチルアセトナト銅を用いて金を堆積する
場合、ジメチル金アセチルアセトナトを１００℃から１
９０℃に加熱する。一方、試料の温度を２５０℃から３
００℃の範囲に設定し、水素の流速は１００ｃｃ／ｍｉ
ｎに設定する。反応室の圧力は３００Ｐａから１０００
Ｐａであって、高周波放電は０．０５Ｗ／ｃｍ２からＩ
Ｗ／Ｃ！＋２の条件では、はぼバルク並の抵抗を有する
鏡面状の金薄膜が形成された。

実施例２第５図は還元性ガスのグロー放電による分解を、反応室
内においてでなく別の放電室において行う薄膜成長装置
の概略断面図である。第５図に示した薄膜成長装置は５
網目状の接地電極１７を仕切りとして上部の放電室１５
と下部の堆積室とに分離されている。放電室！５内に高
周波電源（ＲＦ）から電圧が印加される高周波印加電極
１６が設けられている。放電室１５には側面より水素ガ
スが導入できるように構成されている。

堆積室内には高周波印加電極１６と対向した位置に試料
加熱台１９が設けられている。この試料加熱台１９には
、試料３が取り付けられている。また、試料加熱台１９
と対向した位置に加熱可能なガス導入口２０が設けられ
ている。上部の放電室１５で分解した水素は、網目状電
極１７を通して堆積室に導入される。

原料としてビスアセチルアセトナト銅を用いる場合は、
実施例１と比較して試料の温度をやや高め、すなわち３
００℃から４００℃の温度範囲で、かつ全体の圧力を５
００Ｐａから１０００Ｐａの条件で銅を試料３上に堆積
させる。形成された膜は実施例１と同様に鏡面状で低抵
抗の膜が得られた。

第６Ａ図、第６Ｂ図、および第６Ｃ図は、放電室を堆積
室から分離した各種の薄膜成長装置の概略構成例を示す
断面図である。第６Ａ図、第６Ｂ図、および第６Ｃ図に
おいて第５図と同一部分には同一符号を付して説明は省
略する。

第６八図の装置においては、高周波電源（ＲＦ）から誘
導コイル１２に電圧を印加して放電を行う。第６Ｂ図の
装置は、堆積室の側部に設けられたマイクロ波数Ｍ室２
２において水素ガスをマイクロ波放電により分解を行う
ものである。ここで、反応室とマイクロ波放電室２２と
の間には網目状接地電極が設けられている。第６Ｃ図の
装置においては、反応室は堆積室と放電室とに分けられ
ており、堆積室と放電室との間には網目状接地電極２４
が設けられている。放電室内には高周波電源（ＲＦ）か
ら電圧が印加される高周波印加電極２３が設けられてい
る。この高周波印加電極２３と網目状接地電極２４との
間で水素の放電分解を行う。

火族■ユ第７図は、実施例２の薄膜成長装置の堆積室に紫外光を
照射して金属錯体を分解する装置の概略構成例を示す断
面図である。放電室の構成は第５図に示した放電室の構
成と同じである。高周波電源（ＲＦ）より高周波印加電
極２３に電圧を印加し、放電室内に供給された、例えば
水素のような還元性ガスを分解する。分解された還元性
ガスは綱目状接地電極２４を通って堆積室に供給される
。堆積室内の試料加熱台２５と対向した位置に石英窓２
６が設けられ、この石英窓２６を通して低圧水銀ランプ
２７から紫外線が照射される。原料容器５に収納された
原料はヒータ６により加熱され、蒸発した原料ガスは試
料加熱台を取り巻く加熱されたメツシュ状のリング状バ
イブ２８に送られ、このリング状バイブ２８を通って堆
積室に供給される。ここで、リング状バイブ２８の温度
は原料が昇華する温度以下で、原料の分解温度以下とす
る。石英窓２６の近傍には熱風を吹き付ける熱風吹き付
は機構２９が設けられており、この熱風吹き付は機構２
９により石英窓が加熱され、原料が石英窓に析出するの
を防止することができる。

ビスアセチルアセトナト銅の場合、単独では低圧水銀ラ
ンプ２７の波長の中に吸収４ｔＦがないか、例えばエチ
ルアルコールを入れると、ビスアセチルアセトナト銅を
励起させることができる。試料の温度は２００℃から４
００℃の範囲に設定し、紫外光の光照射強度はｌＯｍＷ
／ｃｍ２から１００ｍＷ／ｃｍ２の範囲で、試料３上に
銅を堆積させた。形成された膜は実施例１と同様に鏡面
状かつ低抵抗の膜が得られた。

第８図は、高周波電極２３を円筒型にした薄膜成長装置
の概略構成例を示す断面図である。この高周波ＴＬ極２
３は放電室内に設けられ、堆積室内には試料加熱台が設
けられ、また原料を堆積室に供給するメツシュ状のリン
グ状バルブ２８が設けられている。石英窓２６を通して
低圧水銀ランプ２７から紫外線を原料ガスに照射する。

また、第７図と同様に熱風吹き付は機構２９が設けられ
ている。高周波電源（ＲＦ）から高周波印加電極２３に
電圧を印加し、還元ガス、この場合は水素ガスを分解す
る。分解された水素ガスは堆積室に併給され、リング状
バルブ２８を通って供給された原料ガスに紫外線を照射
しながら有機金属錯体を還元して試料３上に銅を析出さ
せる。

以上に述へた方法により、集積回路の配線を形成する工
程例を第９八図、第９Ｂ図および第９Ｃ図に示す。第９
Ａ図に示すように、ｎ゛領域素子分離選択酸化膜３４が
表面に形成された半導体３０上に、絶縁膜３Ｉを形成し
、絶縁膜３１にコンタクトホール３２Ａを設ける。次に
第９Ｂ図に示すように、タングステンまたは窒化チタン
等のバリア金属３２を形成する。次に第９Ｃ図に示すよ
うに銅膜３３を上述した本発明の薄８％成長方法によっ
て形成する。

第１Ｏ図は従来法のスパッタリング方法によってによっ
て形成された銅膜は被覆性が優れていることがわかる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、スパッタリング
法または蒸着法ではなしえなかった段差被覆性が得られ
、従来の熱ＣＶＤ法ではなしえなかった低抵抗で鏡面性
を有する金または銅の薄膜を高速で形成することが可能
となった。これにより、大規模集積回路における低抵抗
かつマイグレーション耐性を有する配線材料形成が実現
できる。

さらに、本発明によれば、被覆性が良いためにり１マイグレーションによる電極配線の断線がなくなる。得
られた銅膜は低抵抗であるため電極配線における電圧降
下の問題が解消される。従って、イ８頼性の高い電極配
線を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜成長装置の実施例を示す概略断面
図、第２図は基板の温度と各種の希釈ガスによって変化する
銅膜の抵抗率との関係を示す特性図、第３図は銅膜の抵
抗率の膜厚依存性を示す特性図、第４Ａ図、第４Ｂ図は本発明の薄膜成長装置の実施例の
概略断面図、第５図は本発明の薄膜成長装置の実施例の概略断面図、第６Ａ図、第６Ｂ図および第６Ｃ図は本発明の薄膜成長
装置の実施例の概略断面図、第７図および第８図は本発明の薄膜成長装置の実施例の
概略断面図、第９Ａ図、第９６図、および第９Ｃ図は本発明の薄膜成
長方法による集積回路の配線を形成する工程を示す工程
図、第１０図は従来のスパッタリング法により膜の被覆状況
を示す断面図である。ｌ・・・反応室、２・・・電極、３・・・試料、４・・・接地電極、５・・・原料容器、６・・・ヒータ、７・・・配管、８・・・バルブ、９・・・排気ポンプ、ｌＯ・・・接地電極、ＩＩ・・・高周波印加電極、１２・・・誘導コイル、１３・・・加熱台、１４・・・ガス導入口、１５・・・放電室、１６・・・高周波印加電極、１７・・・網目状接地電極、１８・・・配管、１９・・・試料加熱台、２０・・・ガス導入口、２１・・・綱目状接地電極、２２・・・マイクロ波放電室、２３・・・高周波印加電極、２４・・・網目状接地電極、２５・・・試料加熱台、２δ・・・石英窓、２７・・・低圧水銀ランプ、２８・・・リング状バイブ、２９・・・熱風吹き付は機構、３０・・・半導体、３１・・・絶縁膜、３１八・・・コンタクトホール、３２・・・バリア金属、３３・・・銅膜、３４・・・素子分離選択酸化膜。特許出願人　　日本電信電話株式会社代　理　人　　弁理士　谷　　義　− ９オ伴ルネ°レアへ ↑ 第４Ａ図第５図第６Ａ図第６Ｂ図第７図３．２ハ゛）？４ン熟従系ｔスバ１１．クリレグ５夫は・尺童］赤し力膜の泊
薯垢図第１Ｏ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）銅または金が配位した金属錯体を蒸発させ、蒸発
した前記金属錯体を還元性ガスと共に反応室内に導入し
、該反応室内の加熱された試料上で前記金属錯体を分解
して、銅または金を前記試料上に堆積させることにより
薄膜を成長させることを特徴とする薄膜成長方法。
（２）予め放電により分解した還元性ガスにより、銅ま
たは金が配位した金属錯体を還元して、銅または金を試
料上に堆積させることにより薄膜を成長させることを特
徴とする薄膜成長方法。
（３）予め放電により分解した還元性ガスと、銅または
金が配位した金属錯体とを加熱した試料上に導入し、紫
外光を照射することにより、前記金属錯体を分解して銅
または金を試料上に堆積させることにより薄膜を成長さ
せることを特徴とする薄膜成長方法。
（４）反応室と、該反応室内に設けられ、試料を加熱する試料加熱台と、前記反応室内に設けられ、前記加熱台と対向する位置に
設けられたガス導入部と、前記反応室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段
とを有し、前記ガス導入部に、原料ガスを加熱し、前記原料ガスを
蒸発させる加熱蒸発手段が接続されていることを特徴と
する薄膜成長装置。
（５）放電室と堆積室とから構成される反応室と、前記放電室に放電を生ぜしめ、前記放電室内に導入され
る還元性ガスを分解させる放電手段とを具え、前記堆積室内には試料を加熱する試料加熱台と、該試料
加熱台と対向する位置にガス導入部とが設けられ、該ガス導入部に、原料ガスを加熱し、前記原料ガスを蒸
発させる加熱蒸発手段が接続されていることを特徴とす
る薄膜成長装置。
（６）放電室と堆積室とから構成される反応室と、前記放電室に放電を生ぜしめ、前記放電室内に導入され
る還元性ガスを分解させる放電手段とを具え、前記堆積室内には試料を加熱する試料加熱台と、前記堆
積室の底部に紫外光が通過する透明な窓とが設けられ、
かつ前記試料加熱台と、前記窓との間に、蒸発した原料ガス
を堆積室内に供給する供給手段が設けられていることを
特徴とする薄膜成長装置。