JPH0225568A - 微細孔の金属穴埋め方法 - Google Patents

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〕 本発明は、多層配線基板に設けられ之微細導通孔の金属
薄膜による穴埋め方法に係り、特に、導通孔下地と穴埋
め金属薄膜との界面部に電気抵抗の低い高信頼性の接触
金形底することのできる導通孔の金属穴埋め方法に関す
る。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの高集積化に伴い各素子を結ぶ配線設計が困難と
なり、その解決手段として、多層配線が不可決な技術と
なりつつある。多層配線においては、下層のＡ２配線と
該Ａｇ配線に対して絶縁膜を介して設けられ念上層のＡ
ｇ配線とを、必要に応じて、接続するための導通孔（以
下、スルホールと称する）を設け、該導通孔を導体によ
って穴埋めする必要がある。スルーホールの金属穴埋め
方法としていくつかの方法があるが、その中で、タング
ステンＣＷ＞の選択ＣＶＤによる方法が、スルーホール
径が微小な場合（例えばＩＪｍ角以下）においても埋め
込み性が良好であることから、実用化が期待されている
。

Ｗの選択ＣＶＤは、これまで、六フフ化タングステン（
ＷＦ、＋と水素（Ｈｌ）とを原料ガスとして行われてき
ており、関連する従来技術の記述として、例エバ、ジャ
ーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイアテイ第１
３１巻（１９８４年）第１４２７〜１４５５貞（Ｊ、　
Ｂｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　Ｓｏｃ、　１３１　ｐｐ、
１４２７〜１４３３（１９８４））’にその記述がある
。しかし、この方法では実用的な水準での底長速度が得
られず、また、選択成膜であるにもかかわらず、完全な
選択性が確保し難いという問題があった。

この問題を解決する方法として、　ＷＦ、とシラン（Ｓ
ｉＨ，）とを原料ガスとするＷ選択ＣＶＤ法がおる。こ
の方法を用いる場合、高速性・高選択性を確保しての微
細孔の穴埋めが可能となジ、さらに。

従来のＷＦ、およびＨ３を原料ガスとするＷ選択ＣＶＤ
の場合には下地がＳｉである微細孔（以下、コンタクト
ホールと称する）にＷｆｔ埋め込も５とするとＷがＳｉ
基板に食い込むという問題がめり几のに対して、この問
題が生じないという長所がある。この方法については１
例えば１日経マイクロデバイス１９８７＠１２月号！６
８〜６９頁９日刊工業新聞１９Ｂ７年８月２５日付、化
学工業日報１９８７年１２月８日付等に記述がある。

〔発明が解決しようとする！！題１ ＬかＬながら、、　ＷＦ、とＳｉＨ４を原料ガスとする
Ｗ選択ＣｖＤ法は、コンタクトホールの穴埋め方法とし
ては有効な方法であるが１選択ＣＶＤによって形成され
たと下地ＡＱとの界面における反応の生起および反応残
留物について考慮されていないため、スルーホールにお
ける導通が不十分となるという問題があり九。

すなわち、原料ガスとしてＷＦ、および８ｉＨ０ｆ用い
てＣＶＤ金行り九場合、下地がＡＪＯ場合には、まずＷ
Ｆ、がＡ１１ｆ！面と優先的に反応して、反応式（１１
によってＷが生じ、 ＷＦ、＋２Ａｇ。Ｗ＋２ＡｇＦ、　　　　　　　＋１１
さらに、生成しｐＷ上で以下のＳ　ｔ　Ｈ４還元反応が
進行する。

ＷＦ　、　＋　’Ｓ　ｉＨ，ｏＷ＋’Ｓ　ｉＦ、　＋　
５Ｈ。

２２（２′ ここで、（１（式の反応生成物ＡｇＦ、は絶縁物であり
。

ま念、沸点が１０００℃以上と高い九め、ＷＦ、とＳｉ
Ｈ，を原料ガスとするＣＶＤにおいて選択１ｆｆ［が可
能な温度（２２０〜６８０℃、好ましくは２５０〜３５
０℃）では蒸気圧が極めて低く、反応１１）から反応１
２１が始まるまでの開ＫＡＩ！Ｆ、が十分に除かれず、
スルーホールにＷを埋め込んだ場合、結果的に、界面部
分に絶縁物Ａ４Ｆ、が残留することになワ、スルーホー
ルでの十分な導通を妨げるという結果になっていた。

本発明の目的は、上記した従来技術の有していた課題を
解決して、Ａ２配線上のスルーホール金選択性よく金属
によって穴埋めし、かつ、穴埋ｙ）金属と下地Ａｇ配線
との界面の′ｉミコ低抵抗低い？Ｉ、信頼性の接触を得
ることのできるスルーホールへの金属穴埋め方法を提供
することにある。

〔課題を解決する九めの手段〕

上記目的は以下に述べるよ５な２つの方法を用いること
によって達収することができろ。

第１の方法は、まず、原料ガスとして下地ＡＱと反応し
て生成されろハロゲン化アルミニウムがＡ４Ｆ、よりも
沸点が低く蒸気圧の高いＡＱＣら５Ａ　ｇ　Ｂ　ｒ　＠
、ＡＱＩ、となるようなフッ素以外のハロゲン゛化金属
がλを用いて下地ＡＪと反応させ、下地ＡＱ　と全上記
ハロゲン化金属によって形成される金属によって完全に
被覆し１次いで、ＷＦ、とＳｉＨ。

あるいはＳｉ、Ｈ，と全原料とするＷの選択ＣＶＤを行
うことによってスルーホール内にｗ−６埋め込む方法で
ある。例えば、原料ガスとしてＴｉＣｇ、を用いて下地
Ａ１１ｌと反応させると、まず下式の反応が進行する。

ＴｉＣ１！、＋４１５Ａ４→Ｔｉ＋４／３ｊＭＩＣＩ！
、　　１３１この反応で生成したＡｇｅｇ、は、　ＡＱ
Ｆ、と異なり、蒸気圧が高いため、形成された’ｒ１と
下地ＡＩ！との界面に残留することがない。従って、上
記反応の後ＴｉＣｆｆ１．の導入を停止し２代りにＷＦ
、と５ｉ）（４ＴｏるいはＳ　ｉ、Ｈ，とを導入してＷ
ｏｓ択ＣＶＤ＠行わせると、先に形成されているｒｌｌ
　ｉ表面はＳｉＨ４あるいはＳｉ、ｆ（４に対して吸着
解離触媒作用を有するｔめ。

前出の反応式＋２１によって、Ｔｉ上にＷを成長させる
ことができろ。ここで、　’ｒｉｃｅ、はスルーホール
表面の絶縁膜（８１０ｓ　）　　と直接反応することが
なく。

また、絶縁膜上にＴｉ　を形成することがないので、選
択ＣＶＤの初期にＴ１Ｃｌ！、　ｆ導入しても１選択的
に。

スルーホールのみに金属を埋め込むことが可能である。

なお、上記の例においては原料ハロゲン化金属ガスとし
てＴｉＣｇ、を用いた場合について説明したが、Ｔｉ（
Ｊ、はフッ素系以外のハロゲン化金属として常温で蒸気
圧の高い数少ない物質であり、　ＣＶＤ用原料ガスとし
て比較的使い易いものである。しかし、原料のハロゲン
化金属はＴｉ０ｇ４に限るものではな（、例えば’ｗＶ
ｃＱ＊に用いても、同様に、良好な界面を形成すること
ができる。念ソ、この場合、ｗａｇ、は常温では蒸気圧
が低いので、加熱、ガス化して用いる必要がある。なお
、同様にして５反応によって形成されろ金属が５ｉｎ（
、あるいはＳｉ、０゜に対して吸着解離触媒作用をもつ
ようなフッ素系以外のハロゲン化金属ｆｃＶＤの初期に
用いることによって、良好な導通を有するスルーホール
埋め込みを得ることが可能である。

第２の方法は、ＷＦ＊　ｔ”用いるＷの選択ＣＶＤの初
期において、下地ＡＱとＷ膜との界面に導通を妨げるＡ
ｇＦ、　ｉ残留させないようにする方法、すなわち、前
出（１１式によって界面にＡ１１Ｆ、が生成するのはＣ
ＶＤ工糧工期初期く僅かの時間であるので、この初期の
段階だけ基板温度を高くして、ＡＱＦ、　ｉ残留させる
ことなくＷ成膜の工程を導入する方法である。ただし、
この場合の基板温度は。

下地ＡＱ配線の耐熱性を考慮すると、少なくともＳＯＯ
℃以下、好ましくは４５０℃以下に止める必要がある。

ま之、ＡＱＦ、の残留の排除をより完全にするために、
同時に、還元ガスとしてＬＹｅ導入する。この場合には
以下の反応が同時に進行する。

Ｈ１→２）ｉ（反応式で形成されたＷ上で）−−−−−
１４１ＷＦ　ｓ　＋　６　Ｈ−、Ｗ＋　６　ＨＦ　　　
　　　　　　−−−−−（５１ＡＱＦ、＋３）１→Ａｇ
＋３）ＩＦ’　　　　　　＋＋−呻（６１上記反応の中
、反応式（５）、（６）によ、：）　ＷＦ、の還元反応
は反応式（２１による反応よりも反応速度が遅く、高速
底膜という観点からみれば劣っているが、反応式（２１
の反応よりも放膜温度が１００℃以上も高い上に底膜速
度が遅いため、Ａｇ下地表面をＷが完全に覆うまでの間
に十分反応式（６１の反応が進行するため、結果的に、
ＡＱとＷとの界面にＡ４Ｆ、が残留することがない。ま
九、−旦Ａｇ表面を完全にＷで覆ってしまえば、その後
のＳ＋Ｈ，’に原料ガスとする反応でもＡｆｆｉｘ、　
？生ずることがない。従って、スルーホールを埋め込む
ためにＷＦ厚く底膜する部分はほとんどＳｉＨ，による
還元反応を用いることができるため、初期段階で放膜速
度の遅いＨ９による還元反応を用いても、平均的にみて
、実用的な水準での底膜速度で導通のよい接続を形成す
ることが可能である。

〔作用〕

上記第１の方法においては、スルーホールの金属埋め込
み工程の初期段階でフッ素系以外のハロゲン化金属ガス
金導入することによって％ＡＱ下下地下地表面縁物であ
るＡＩ！Ｆ、　ｉ残留させることなく、該Ａｇ下地を上
記ハロゲン化金属ガスによって形成される金属で完全に
被覆することができる。従って、Ｗの選択ＣＶｉ）＠前
のスルーホール部のＡｇ下地およびその上層には導電体
のみが存在し、次いで、Ｗの選択ＣＶＤによりて、その
上に導１体であるＷが放炎することになる九め、Ｗ選択
ＣＶＤＩＣよる穴埋め工場後のスルーホール部の導通は
極めて良好な結果を示す。

ま九、第２の方法においては、スルーホールの金ｐＡ埋
め込み１穐の初期段階で還元ガスとしてＨｌを導入し、
かつ、基板温度を後段のＳｉｎ、還元反応時よりも高い
温度に設定することによって、ＡＱ下地表面に絶縁物で
あるＩＩＦ、　を残留させることなく、該Ａｇ下地上２
ｗによって完全に被覆することができる。従って、　８
ｉＨ，ｆｅ還元ガスとするＷの選択ＣＶＤ開始直前のス
ルーホール部のＡｇ下地およびその上層には導電体のみ
が存在し、その上にＷの選択ＣＶＤが進行するため、Ｗ
選択ＣＶＤ穴埋め工程後のスルーホール部の導通４極め
て良好な結果を示す。

〔実施例〕

以下、本発明方法の内容について実施例によって具体的
に説明する。

実施例　１゜ ｗｃ１図は本発明の微細孔への金属穴埋め方法の手順を
示す工程図、７９２図は金属埋め込みの進行状況を示す
概略断面図である。

まず、第２図１ａｌは微細孔（スルーホール）の金属穴
埋め全すべき基板で、この基板は次のようにして作成す
る。すなわち、まず、下地配線Ａｇ１上にプラズマＣＶ
Ｄ法などによって厚さ１．ＩＪｍのｓｉｏ、膜を形成し
た後、ホトエツチングプロセスにより直径ｔＯ＋ｍのス
ルーホール３を開口して作成する。この時、スルーホー
ル３底部のＡｇ下地１上には薄い酸化膜が形成されてい
るため、　Ａｒ＋によるスパッタクリーニングあるいは
ＣＣＱ、等の塩素系ガスによるグラズマエッチングなど
によって酸化膜の除去を行う。

上記のようにして得ｔスルーホールを有する基板をコー
ルドタオール盟のＣＶＤ＠置内に載置し。

該装置内を排気り死後、基板金４５０℃に加熱した状態
でＴｉＣ１！、ガスを流量１０ＳＣＣｆｆｌ、希釈用Ａ
ｒガスｔａ量ｔｏｏｓｃｃｒｎ　ａガス全圧約ＩＳＰａ
（１００ｍＴｏｒｒ　）　ｔ’導入口て２分間反応式＋
３１によるＴｉ　の成膜を行っ九。

この時同時に生成されるｋＱｃＱ、は沸点が低（（１７
８℃）、蒸気圧が高いため、下地Ａｇ１上に残留するこ
とな（、第２図１ａｌに示すように、スルーホール３底
面のＡｇ下地１の表面は完全１ｃＴｉ４のみによって被
覆されろ。また、ここで形成されるＴｉ　　４の膜厚は
反応時間とともに増大ｔ−続けるものではな（、Ｔｉ４
が完全にＡｇ１ｉ覆ってしまうとそれ以上の反応式囚の
反応は進行しないため、数百λ程度の膜厚で自動的に成
膜は停止する。

Ｔｉ［［Ｔｈ終ったｔ、’ｒｉ（１，オｊ、ヒＡｒ　〕
供給を停止し、反応容器内を排気すると同時に基叛温１
ｒでを２７０℃に設定してＷＦ、ガスを流量５ｓｃ−・
Ｓ　Ｉ　Ｈａガス’ｘ　ｔｌ　ｊｔ　４　ｓｅｃｍ、希
釈ガスＡｒｔ流量１０１００５ｅ、ガス全圧的１３Ｐａ
（１００ｍＴｏｒｒ）　を導入してＣＶＤｆ行い、反応
式＋２１によるＷのＦ！ｆｔ膜を６分間行った。Ｗ成膜
後ＷＦ、　、　Ｓ　ｉＨ，およびＡｒ　　の供給を停止
し、仄いで、反応容器の排気を行いながらＷＦ、供給管
内ｔ−Ｎ、によＶ＃化すると同時に反応容器内のＮ、置
換を行い、基板を冷却した後、反応容器から基板を取出
す。

以上のようにして得られた基板のスルーホールの状態は
、纂２１！１ＩＩｌｃｌに示すように、スルーポール３
のＷ５による良好な穴埋めが観察され念。また、同様に
して得られ九基板について、適宜のバターニングにより
上層にＡＪ配＃を施して、Ａｇ下地１とＷ５との接続抵
抗を測定したところ、１μｍ径のスルーホールにおいて
抵抗値はＣＬＯ２〜α１Ωの範囲の値を示Ｌ１良好な接
続が得られている結果が得られ九〇 なお、上記例においては、選択ＣＶＤの初期に導入する
フッ素系以外のハロゲン化金属ガスとしてＴｉＣｆｆ１
．金用い、穴埋め金属をＷＦ、と５ｉ）（、と全原料ガ
スとするＷとした場合について述べたが、本発明の方法
はこの組合わせに限定するものではなく一フッ素系以外
の）・ロゲン化金属としてはＴｉＢｒ４５　ＴａＣＱ、
、ＴａＢｒ、　ｓ　ＭｏＣ１！、　、ＷＣＱ、　、　Ｗ
ＣＱ、等比較的低温（〜４００℃）で高い蒸気圧（２ｏ
ｍＴｏｒｒ以上）を得ろことができろものであれば使用
可能であり、また、穴埋め金属の原料ガスとしてＷｌｌ
。

の代りにＭＯＦ、を、ＳｉＨ，の代りにＳｉ、Ｈ，等の
水素化シランなど凋択ＣＶ　Ｄの可能な金属化合物音用
いることができる。ま九上記例において反応式（３１の
反応時の基板温度および反応式１２）の反応時の基板温
度を、それぞれ、４５０℃および２７０’Ｃとし念場合
について説明し九が、前者については２２０〜５００℃
の範囲、好ましくは５５０〜４５０℃の範囲、後者につ
いては２５０〜３２０℃の範囲で％同様の結果を得るこ
とができる。

実施例　２ 第５図は本発明の微細孔への金属穴埋め方法の別の手順
を示す工程図、第４図はこの場合の金属埋め込みの進行
状況を示す概略断面図である。

まず、実施例１の場合と同様にして作成したｌａｌ状態
の基板ｔ？ＣＶＤ装置内に載置し、該装置内を。

排気し電接、基板金４５０℃に加熱した状態でＷＦ。

ガスおよびＨ，ガスを、それぞれ、Ｉ５！量５ｓｃｃｍ
および５００　ｓｃｃｍ　ｓガス全圧約６６ＰａＣＯ，
５Ｔｏｒｒ）で導入して１分間の成膜を行った。このと
き、前出（１１゜（４１、（５１、（６１式の反応が進
行し％１１１式の反応によりて絶縁物ＡｇＦ、が形成さ
れるが、（４１％（６１式の反応が同時に進行してＡｅ
Ｆ、が還元される九め、結果的に、Ａｇ　Ｉｌ！：Ｗと
の界面にＡＱＦ、を残留させることな（％第４図１ｂ＋
に示すように、スルーホール３底面の下地Ａｇ１上にＷ
層６を形成することができる。

上記成膜後、ＷＦ、とＨｌとの供給金停市し、反応容器
内を排気すると同時に基板温度を２７０℃に設定し九後
、ＷＦ、ガｘ’６流ｌ１５３００ｍ％　８　ｉＨ，ガス
を流量４　Ｓ　ＣＣｒｎ　ｓ希釈ガスＡｒｔ−流量Ｉ　
Ｑ　ＯＳＣＣｍ　、ガス全圧約１５Ｐａ（１００ｍ’ｌ
’ｏｒｒ　）　ｆ導入してＣＶＤｆ行い。

反応式（２１によるＷの放膜を３分間行り几。Ｗ成膜後
は、実施例１０場合と同様にして、原料ガスの供給停止
、凡ガス置換、基板冷却を行った後基板を反応装置から
取り出す＠ 以上のよ５にして得られ九基板のスルーホールの状態は
、＠４図１ｃｌに示すように、スルーホール３のＷ６に
よる良好な穴埋めが観察され几。ま之、同様にして得ら
れ九基板について、適宜Ｑ）ζターニングにより上層に
Ａｇ配＃ＩＫ−施してＡｇ下地１とＷ６との接続抵抗全
測定Ｌ４ところ、１１ｍ径のスルーホールにおいてＱ、
０２〜０．１Ωの範囲の値を示し、良好な接続が得られ
ている結果が得られ念。

なお、上記例においては反応式（２１による反応への切
譬えの際ＷＦ、ガスとＨ，ガスとの供給を停＋ｈ　Ｌ・
−旦反応容器内を排気し電接改めてＷＦ、ガスとＳｉＨ
，ガスの導入を行うとして説明し九が、基板加熱手段が
ランプ加熱による基板のみの加熱（サセプタを用いない
場合）のように基板設定温度への到達が短時間（数秒）
で足りる場合には、ＷＦ、ガスの供給は継続し、Ｈｌの
みの停＋ｈと同時にＳｉｎ、の導入を行うことによって
も同様の結果を得ることができる。まｔ、上記例におい
ては選択ＣＶＩ）により穴埋めを行う金属がＷＦ、およ
び８　ｉ　Ｈ，ｔ−原料ガスとするＷである場合につい
て説明したが、実施例１の場合に述べ九と同様に、ＷＦ
、の代りにＭｏＦ、。

Ｓｉｎ、の代ジにＳｉＨ，等の水素化ジノコンなど選択
ＣＶＤの可能な金属すべてを用いることができることは
言うまでもない。なお、上記例におｌｖＳて第１の反応
における基板の所定＠度金４５０°Ｃ１第２の反応にお
ける基板の所定温度Ｑ　２７０℃とした場合について説
明し九が、前者については３５０〜５００℃の範囲、後
者については２２０〜５５０℃の範囲で、同様の結果を
得ることができる。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、基板上のスルーホールの金属穴
埋めにおいて、本発明の方法を用いることによって、従
来技術の有してい九課題を解決して、スルーホールのＡ
ｌｌ下地と穴埋め金属膜との界面部に電気抵抗が低く、
信頼性の高い接触を容易に形取することができるように
ｔつ九。

ま九、これによって、ＶＬＳＩ製造における歩留り向上
、製品の信頼性向上に大きく寄与することができ几。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の手順を示す工程図、第２図は金属
埋め込みの進行状況金示す概略断面図、第５図は本発明
方法の別の手１１１　ｋ示す工程図、第４図は金属埋め
込みの進行状況全示す概略断面図である。 ・・・Ａｌ１Ｔ地。 ・・・絶縁膜（Ｓｉｎ、） ５・・・スルー ホール、 ４　・・・Ｔｉ 膜・ ・・・Ｗｏ 第 晃 ／ 国 第 す 呂

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加熱基板上の絶縁膜に基板下地の一部を露出させる
   ために設けた微細孔を金属の選択ＣＶＤにより穴埋めす
   る方法において、選択ＣＶＤの初期にフッ素以外のハロ
   ゲン化金属（ＴｉＣｌ＿４、ＴｉＢｒ＿６、ＴａＣｌ＿
   ３、ＴａＢｒ＿５、ＭｏＣｌ＿５、ＷＣｌ＿５、ＷＣｌ
   ＿６、ＷＢｒ＿６）を原料ガスとして露出下地表面を金
   属（Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）で被覆し、つづいて、六フ
   ッ化タングステン（ＷＦ＿６）あるいは六フッ化モリブ
   デン（ＭｏＦ＿６）と水素化シリコン（ＳｉＨ＿４、Ｓ
   ｉ＿２Ｈ＿６）を原料ガスとしてタングステン（Ｗ）あ
   るいはモリブデン（Ｍｏ）で被覆することを特徴とする
   微細孔の金属穴埋め方法。 ２、上記加熱基板の温度が、初期選択ＣＶＤにおいては
   ２２０〜５００℃、好ましくは３５０〜４５０℃、後段
   の選択ＣＶＤにおいて２５０〜３５０℃であることを特
   徴とする請求項１記載の微細孔の金属穴埋め方法。 ３、基板上の絶縁膜に基板下地の一部を露出させるため
   に設けた微細孔を金属の選択ＣＶＤにより穴埋めする方
   法において、選択ＣＶＤの初期に基板を第１の所定温度
   に加熱し、ハロゲン化金属と水素とを原料ガスとして露
   出下地表面を金属で被覆し、つづいて、基板を第２の所
   定温度に加熱し、六フッ化タングステン（ＷＦ＿６）あ
   るいは六フッ化モリブデン（ＭｏＦ＿６）と水素化シリ
   コン（ＳｉＨ＿４、ＳｉＨ＿６）とを原料ガスとしてタ
   ングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）で被覆す
   ることを特徴とする微細孔へ金属穴埋め方法。 ４、上記第、の所定温度が３５０〜５００℃の範囲、上
   記第２の所定温度が２２０〜３５０℃の範囲であること
   を特徴とする請求項３記載の微細孔の金属穴埋め方法。 ５、上記基板下地がＡｌであることを特徴とする請求項
   １若しくは３記載の微細孔の金属穴埋め方法。