JPH04155850A - 微細孔への金属孔埋め方法 - 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、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により孔埋め
する方法に係り、特に、十分な選択性の確保と、良好な
導通特性を両立して微細孔を金属で孔埋めするのに好適
な金属孔埋め方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの高集積化に伴い、素子−配線間あるいは各配線
間を接続する配線設計の困難性が増大し、その解決手段
として多層配線が不可欠な技術となり、下層配線と、絶
縁膜を介して設けた上層配線とを接続するために、必要
に応じて、絶縁膜に微細な導通孔（スルーホール）を設
け、このスルーホールを導体で孔埋めする方法がとられ
ている。

スルーホールを孔埋めする方法にはいくつかがあるが、
その中で、スルーホール径が微細な場合にも孔埋め性の
良好な方法として、金属（特にタングステン）の選択Ｃ
ＶＤが、実用化が期待されている。

タングステン（Ｗ）の選択ＣＶＤは、２５０℃以上に加
熱した試料上にフッ化タングステン（ＷＦ、）ガス及び
水素（Ｈ２）ガスの混合ガスを導入、接触させて、下記
いずれかの反応により、下地金属（ここではＡＱの場合
の例を示す）上にタングステン（Ｗ）膜を成長させる方
法である。

ＷＦ、＋２ＡＱ→Ｗ＋２ＡＱＦ３　　　　（１）ＷＦ、
＋３Ｈ，→Ｗ＋６ＨＦ　　　　　　（２）Ｓｉｏ、等の
絶縁膜上では、（１）の反応は起らず、また（２）の反
応も７００℃以下の温度では進行しないため、ＷがＡＱ
上のみ選択成長し、スルーホールの孔埋めが達成される
ことになる。

Ｗの選択ＣＶＤに関するこれまでの記載文献は、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）　１４２７頁から１４３３頁（Ｊ
。

Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　　Ｓｏｃ、　１３１．１４
２７　（１９８４）やブイ・エル・ニス、アイ−マルチ
レベル・インターコネクション・コンファレンス、予稿
集、１３２頁から１３７頁（１９８７年６月）（Ｐ　ｒ
ｏｃ、　ｏｆ　ＶＬＳＩ　ＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＩ　ｎ
ｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　
（Ｊ　ｕｎｅ　１５−１６゜１９８７）　ｐ１３２−１
３７）が挙げられる。しかし、これらに述べられている
方法を用いても、ＡＱ配線上に存在する酸化膜や（１）
の反応で生成するＡＱＦ３といった絶縁物がスルーホー
ル内でのＷとＡＱの界面に残留し、スルーホール部で良
好な導通を得ることが困難であった。これを解決する方
法として、ブイ・エル・ニス・アイ・マルチレベル・イ
ンターコネクション・コンファレンス予稿集、２０８頁
から２１５頁（Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　　ＶＩＳＩ　　Ｍｕ
ｌｔｉｌｅｖｅｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　　
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｊｕｎｅ１５−１６゜１９８７
）　ｐ２０８−２１５）に開示されている様に、基板温
度を３８０℃以上に加熱して成膜する方法や、来夏レビ
ュー第４１巻１２号９８８頁がら９９１頁に開示されて
いる様に、ＡＱ上に薄いＭｏ５ｉｚ膜（厚さ約５００人
）を付け、ＡＱとＷの間にＭｏＳｉ、を入れることにょ
すＡＱ表面酸化膜やＡＱＦ、を界面に残さずに、Ｗを成
膜する方法がある。

また、最近、還元ガスとしてＨ２の代わりにＳｉＨ，系
ガスを用いる方法が報告されている。例えば、ＥＣ８日
本支部第一回シンポジウム（１９８８）［超ＬＳＩ用Ｃ
ＶＤ技術」予稿集第４８頁から頁６５頁に記載されてい
る。この方法を用いれば、基板加熱温度を２５０〜３２
０℃という低温下で高速成膜することができる。なお、
この方法の場合３４０℃以上では選択性が失なわれ、選
択的に孔埋めすることはできない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術では、選択ＣＶＤによってＷを成
長させようとする下地金属表面の処理について十分な考
慮がなされていない。そのため、スルーホールにおける
導通が不十分となったり、ホール部における導通は良好
であっても配線自体の抵抗が上昇する。あるいは、スル
ーホール下地の表面を清浄化するための処理を行うこと
により酸化膜上にもＷが形成し、隣接するスルーホール
間の短絡を生じる等の問題があった。

すなわち、微細孔を形成した直後の下地金属表面は、微
細孔を設けるために施したホトエツチングプロセスに伴
う汚れが付着していたり、ハロゲン系のガスをエツチン
グガスとして用いているため防食処理として積極的に酸
化膜（例えば、下地金属がＡＱの場合Ａｆｉ、Ｏ，等）
を形成しているため、清浄な金属面を露出させておらず
、Ｗを成長させた後も下地金属とＷの界面に導通を低下
させる不純物が残留することになる。この界面に残留す
る酸化物等は、Ｗを形成させる基板温度を３８０℃以上
にすることにより　ＷＦ、のエツチング作用や加熱時の
膜中拡散等により低下し、良好な導通が得られる場合も
あるが、基板毎に微細孔の下地表面状態が異なると必ず
しも再現性良く良好な導通が得られる訳ではない。また
良好な導通が得られた場合でも、Ａｒスパッタエツチン
グ−ＡＱのスパッタリング成膜の連続処理で形成したＡ
Ｑ／ＡＱ界面における導通抵抗に対し約三ないし十倍と
高くなる。このため、上述したＷ選択ＣＶＤによって形
成されるＷ／ＡＱ界面の導通に再現性が得られないこと
や、導通抵抗が高くなることに対し、ＡＱ上にＭｏ５ｉ
ｚ膜を付けた（厚さ約５００人）積層構造のＡＱを下層
の配線として用いる方法が提案された。すなわち、微細
孔底部の露出部をＡＱよりも酸化し難いＭｏＳｉ、膜に
することにより界面の残留０を低減させ、さらに（１）
式による蒸気圧の低い絶縁性のＡＱＦ、が界面で生成し
ないため、形成されたＷ／ＭｏＳｉ、／ＡＱ界面の導通
抵抗はＡＱ同士の導通抵抗とばば同等の良好な値になる
。しかし、この方法で行うにはＭｏ５ｉｚとＡＱの重ね
膜の配線を形成するためのエツチングを必要とすること
や、抵抗値の高いＭｏＳｉ、を用いることによる配線抵
抗の増大といった問題が伴なう。この抵抗増大は、Ｍｏ
Ｓｉ、の膜厚がＡＱの膜厚と比べ極めて薄いため、ＤＲ
ＡＭやＳＲＡＭ等のＭＯ８ＬＳＩの場合には全く問題に
ならないが、高速性を売り物としているバイポーラやパ
イＣＭＯ３等のＬＳＩでは少しの配線抵抗の増大であっ
ても重要な問題となってくる。

一方、微細孔底部の下地にＡＱを用い、この下地表面を
清浄化ＣＡＱ表面のＡＱ２０．除去を含む）してからＷ
を孔埋めする方法も幾つか試みられている。下地表面を
清浄化する方法として、フッ酸（ＨＦ）あるいはフッ化
アンモニウム（Ｎ　Ｈ，Ｆ　）等のフッ酸系溶液による
ウェットエツチング処理、またはＡｒ＋イオンによるス
パッタエツチング処理がある。　しかし、前者の場合、
１０表面酸化膜を十分除去するには同時に絶縁膜のエツ
チングも起こるためスルーホール径が拡がるという問題
がある。さらに、洗浄乾燥時に再びＡＱ表面の酸化や腐
食を生じるといった問題も生じる。また、後者のスパッ
タエツチング処理は、下地表面を物理的に除去するため
、清浄な下地面を露出できる方法で、スパッタＡＱ膜の
多層配線における下地前処理法として用いられている。

しかし、この方法の場合、以下に述べるようにスパッタ
エツチングされることが原因で、下地前処理後の選択Ｃ
ＶＤにおいて選択性が低下することが明らかとなった。

すなわち、絶縁膜がスパッタエツチングされると元素の
スパッタ収率の違いにより、絶縁膜の表層部の組成が変
化する。例えば、ＳｉＯ，膜では原子の方がＳｉよりス
パッタされ易いため、表層部はＳｉリッチな組成となる
。即ち、活性なＳｉ原子が絶縁膜表面に存在することに
なる。この現象はＸ線電子分光法（ＸＰＳまたはＥＳＣ
Ａ）により調べられており、例えば、ジャーナル・オブ
・バキューム・サイエンス・テクノロジー、Ａ３，５（
１９８５年）第１９２１頁から１９２８頁（Ｊ　、　Ｖ
ａｃ、　Ｓ　ｃｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ３、　　Ａ３（５）（１９８５）　ｐｐ
１９２１−１９２８）やジャーナル・オブ・フィジック
スデイ−ニアブライド　フィジックス第２０巻（１９８
７）第１０９１頁から１０９４頁（Ｊ　、　Ｐｈｙｓ、
　Ｄ：Ａｐｐｌ、　ｐｈｙｓ、　２０　（１９８７）　
ｐｐ１０９１−１０９４）において論じられている。

このような条件で前述したＷ選択ＣＶＤを行うと、下記
の反応によりＷの成長が進行すると推定される。

従って、Ｓｉｎ、上でもＷが成長し、選択性が低下する
ことになる。このことは、Ｗ以外の選択ＣＶＤでも同様
であり、選択ＣＶＤは基板下地の各表面部での化学的活
性の差を利用しているため、成長して欲しくない部分、
つまり、絶縁膜表面がスパッタされ活性化すれば選択性
は低下することになる。絶縁膜上に金属が成長すると、
隣接するスルーホールとの短絡の可能性が出ると共に、
絶縁膜上に形成された金属は粒状に発生して剥離し易い
ため、基板上のごみとなって残り、歩留り低下を引き起
こす。このスパッタエツチングによる選択性低下を起こ
さないようにするため、Ｎ　Ｆ、。

ＣＦ３、　ＣＱ２．　ＢＣＱ、等のハロゲンガスあるい
はハロゲン化合物ガスのプラズマによるケミカルエツチ
ングでＡｆｉ表面の酸化膜を除去する方法がある。しか
し、厳密に云えば、極めて慎重に選択ＣＶＤによる孔埋
めを行っても絶縁膜上の金属粒を完全になくすことは困
難であり、いかにその数を減少させ、実質的に金属ＣＶ
Ｄによる孔埋め工程での歩留り低下を防ぐかが鍵となる
。

本発明の目的は、Ｗ選択ＣＶＤを代表とする選択ＣＶＤ
による微細孔孔埋め法において、高選択性を確保して、
良好な導通をもって埋め込みが行なえる微細孔への金属
孔埋め方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、Ｗの選択ＣＶＤによるスルーホールの埋め
込み方法において （１）微細孔底部下地表面の清浄化処理（表面酸化物層
等の除去処理） （２）上記清浄化処理によって活性化した絶縁膜表層部
の安定化処理 （３）ＷＦ、ガスと還元ガス（Ｈ，、ＳｉＨ，等のシラ
ン系ガスの単独あるいは混合ガス）を用いたＷの選択Ｃ
ＶＤによる微細孔への金属孔埋め処理の上記圧つの処理
を、順次、行うことにより達成される。

また、微細孔底部下地が酸化し難い材質で構成されてい
る等、清浄化処理を必要としない場合には、単に以下の
二つの処理、 （１）絶縁膜表層部活性点の安定化処理（２）ＷＦ、ガ
スと還元ガス（Ｈ，、ＳｉＨ，等のシラン系ガスの単独
あるいは混合ガス）を用いたＷの選択ＣＶＤによる微細
孔への金属孔埋め処理を、順次、行うことにより上記目
的が達成される。

上記の処理のうち微細孔底部下地表面の清浄化処理に関
しては、Ａｒ等の希ガスプラズマによるスパッタエツチ
ング、あるいはＮＦ３、ＣＦ、。

ＣＨＦ３、ＳｉＦ３、ＣＱ３、ＢＣＱ３、ＣＣＱ、。

５ｉＣＱ、等のハロゲンガス、あるいは、ハロゲン化合
物ガスを単独あるいはＡｒ等の不活性ガスに添加したガ
ス含むガスのプラズマ処理により、微細孔底部の下地表
面酸化膜の除去を行なうことができる。このうち、従来
から行われてきたＡｒガスのみのプラズマを用いてＡｒ
イオンによるスパッタエッチを行った場合には、先に述
べた様に元素のスパッタ収率の違いにより、絶縁膜表層
部がＳｉ　リッチとなり活性化するが、ハロゲンガスの
プラズマでは、たとえ部分的にＳｉ　リッチになっても
即座にハロゲンイオンあるいはラジカルによりＳｉ　リ
ッチな部分が除去され、最終的には絶縁膜表面は活性化
され難い。

むしろ、絶縁膜の成膜時に形成された欠陥等に由来する
Ｓｉリッチな活性部分が除去されることによりＷ成膜時
の選択性が処理しない場合よりも向上する。しかし、厳
密に云えば、極めて慎重に清浄化処理を行っても、プラ
ズマ中で加速されたイオン等が絶縁膜表面に与えるダメ
ージによって生じる絶縁膜上の活性点を完全になくすこ
とは困難であり、さらに、次の絶縁膜表層部活性点の安
定化処理によって絶縁膜上の活性点の数を減少させる。

絶縁膜表層部活性点の安定化処理は、活性点であるＳｉ
のダングリングボンドやＳ　ｉ−Ｓ　ｉ結合部分に、原
料ガスであるＷＦ６や還元ガスであるＨ□やＳ　ｉＨ，
が反応するための初期過程としての表面吸着を妨げるた
めの処理を行なう。すなわち、５ｉＷＦａ、Ｓｉ　Ｈｚ
、Ｓｉ　５ＩＨ４等の吸着エネルギよりも大きな吸着エ
ネルギを持つＸ（これについては後で述べる）と云った
ガスをあらかじめ活性点に吸着させ、　５ｉ−Ｘと云う
形で絶縁膜表面を安定化させる。

さらにＷ選択ＣＶＤ処理は、選択ＣＶＤ用としてセット
アツプされたＣＶＤ反応容器内でＷＦ。

とＨ２あるいは　ＳｉＨ，等の還元ガスの混合ガスを加
熱した基板上に流す一段ＣＶＤ法を用いること、あるい
は、ＷＦｓ単独もしくはＡｒ等の不活性ガスで希釈した
ガスを流した後、ＷＦ、と還元ガスを加熱した基板上に
流す二股ＣＶＤ法を用いること。

またはＷＦ、とＨ２を流した後、ＷＦ、と他の還元ガス
を流す二段以上のＣＶＤ法等を用いることによって達成
される。還元ガスはＨ，、ＳｉＨ，。

５ｉｔＨいＢＨ，、ＰＨ，等を単独あるいは組み合わせ
て用いることができる。

本発明の清浄化処理で用いるプラズマ処理装置では、通
常行なわれているように高周波（好ましくは１０ｋＨｚ
以上）でプラズマを発生させる。但し、プラズマを発生
させた際、処理チャンバ壁等をスパッタし、ウェハ上に
金属汚染物が付着するとその後のＷ−ＣＶＤで、そこを
核にＷが成長するため、選択性の低下を招くことがある
。従って、プラズマ処理装置としては、高周波をプロ・
ンキングキャパシタを介して電極に印加する時、基板が
負に帯電する、いわゆる、カソードカ・ツブリング方式
とし、かつ、基板表面に近接し、金属汚染源となる部分
は石英板で覆うような構造とすることが本発明の効果を
発揮させる上で重要である。

〔作用〕

上記した微細孔底部下地表面の清浄化処理は、希ガスに
よるスパッタエツチングでは物理的な作用、ハロゲン系
ガスプラズマでは物理的と化学的な両方の作用によって
行うことが可能となる。後者では、Ａｒ等の不活性ガス
を混合させることにより物理的なエツチングの効果（清
浄化作用）を高めることができる。大過剰の不活性ガス
に対し微量のハロゲン系ガスの混合ガスのプラズマであ
っても、プラズマ中のガスやイオンとの衝突によりエネ
ルギ移動が行なわれ、化学的なエツチング作用は失われ
ず、物理的な清浄化作用と絶縁膜の安定化作用は同時に
進行する。さらに清浄化作用を以下の実験データにより
確認した。　Ｓｉウェハ上に電子ビーム蒸着法で成膜し
たＡＱ−Ｏｓ（アルミナ）膜を形成したサンプルを用い
、ＡＱ、Ｏ，の初期膜厚および各種ガスのプラズマ処理
を行なった後の膜厚をエリプソメータにより測定し、各
種ガスプラズマにおけるエツチングレートを調べた。実
験データを第１４図に示す。　Ａｒガス単独のプラズマ
であるＡｒスパッタエッチと、これに少量のＮＦ、ガス
あるいはＣＱｚ、　ＢＣＱ−ガスを添加した混合プラズ
マとを比較すると、同一圧力下でも添加した場合の方が
Ａｒガス単独よりもエツチングレートが大きくなる。こ
れは、物理的な効果に加えて化学的な効果が作用してい
るためと考えられる。特に、ＮＦユを添加したＡｒ／Ｎ
Ｆ、混合プラズマおよび、　ＢＣＱ、を添加したＡｒ／
ＢＣＱ、混合プラズマではＡｒスパッタエッチの約六倍
とエツチングレートが大きくなり、化学的な効果（ケミ
カルエツチング）が支配的に作用していることがわかる
。この清浄化処理は、極めて慎重に行っても、プラズマ
中で加速されたイオン等が絶縁膜表面に与えるダメージ
によって生じる絶縁膜上の活性点を完全になくすことは
困難であり、さらに次の絶縁膜表層部活性点の安定化処
理によって絶縁膜上の活性点の数を減少させる。また、
この安定化処理は、微細孔底部下地が酸化し難い材質で
構成されている時等に清浄化処理を行わない場合でも、
絶縁膜の形成時に生じた欠陥等に由来するＳｉ　リッチ
な活性部分にＮ　Ｏが吸着し安定化する作用がある。

絶縁膜表層部活性点の安定化処理は、活性点であるＳｉ
のダングリングボンドや５ｉ−８ｉ結合部分に、原料ガ
スのＷＦ６や還元ガスのＨｔやＳｉＨ４が反応するため
の初期過程としての表面吸着を妨げ選択性を向上させる
作用がある。すなわち、５ｉ−ＷＦ３、５ｉ−Ｈ，，５
ｉ−３ｉＨ，等の吸着エネルギよりも大きな吸着エネル
ギを持つと考えられる一酸化窒素（ＮＯ）をあらかじめ
活性点に吸着させることにより、　５ｉ−Ｎｏと云う形
で絶縁膜表面を安定化させる作用がある。

結果の詳細は後の実施例の項で述べるが、上記のように
吸着して安定化させる作用を持つガスとして、ＮＯ以外
に幾つかの二原子分子（Ｎ２、ＣＯ，０２）を検討した
が、ＮＯ程顕著に効果を示したものはなかった。これら
の二原子分子の電子状態と上記安定化作用との関係を考
察すると次の様に考えられる。　Ｎ２とＣＯは対象、非
対象の違いはあるが、共に基底状態において結合性の分
子軌道を完全に占有した電子状態のため反応性は低く安
定化作用を持たない。一方、ＮＯと０２は基底状態で反
結合性の分子軌道に夫々−個と二個の電子を持っており
、これらの反結合性軌道の電子と絶縁膜上の活性点であ
るＳｉのダングリングボンドに在る電子とが新しく強い
ボンドを形成するため安定化作用を持つと考えられる。

　しかし、０２の場合、反結合性軌道の電子を二個共に
新しいボンドを形成させるためには、０□の平衡核間距
離に近い距離に二つのＳｉのダングリングボンドが存在
する必要が在る。　したがって、Ｓｉのダングリングボ
ンドが点在していると、０２の反結合性軌道電子のうち
一個しか新しいボンドを形成できず、他の一個は未結合
のまま残るため、安定化作用を持てなくなる。以上から
、ＮＯだけが大きな安定化作用を持つと考えることがで
きる。

これらの前処理を行った後、ＷＦ６とＮ２、あるいはＳ
　ｒ　Ｈａ等の還元ガスを用いた選択ＣＶＤを行うこと
により絶縁膜上には全くＷを形成することなく、微細孔
部下地上のみに下地との反応あるいは還元ガスとの反応
によりＷが成長する。すなわち、選択ＣＶＤプロセスは
微細孔のみをＷを埋め込み平坦化する作用がある。なお
、本発明で用いる微細孔下地とは、ＡＱあるいはＡＱを
主成分とする配線層、ノンドープおよびドーピングされ
たＳｉ層、ＭｏＳｉ３、ＷＳｉ３、ＴｉＳｉ３、Ｐｔ５
ｉ１　あるいは、ＴｉＷ等バリア層で、ＷＦ、が直接反
応する、あるいは、その下地上で還元ガスが吸着解離し
てＷＦ、を還元させる様な下地金てを指している。また
、絶縁膜とは、熱酸化膜、熱窒化膜。

ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、プラズマ酸化膜、プラズマ窒化膜の
無機絶縁膜、あるいはＳＯＧ、ＰＩＱ等の有機絶縁膜等
ＬＳＩに使用される全ての絶縁膜を指している。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例および比較例について、九つの場
合に分は図面を用いて説明する。先ず、未発明のスルー
ホールへのＷ選択埋込み方法のうち、下地表面酸化膜除
去処理としてＡｒにＢＣＱ、を添加したガスのプラズマ
によるエツチング（以下ＢＣＱ、Ｃ−。トエッチと呼ぶ
）を行った後ＮＯ吸着前処理を行ったものを以下に示す
実施例１に示す。次に、下地表面酸化膜除去処理を行わ
ないで、直接ＮＯ吸着前処理を行った場合、（実施例２
）と、行なわなかった場合（比較例１）を示す６また、
下地表面酸化膜除去処理として　Ａｒスパッタエッチを
行ない、その後にＮＯ吸着前処理を行った場合（実施例
３）、行なわなかった場合（比較例２）、ＮＯの代わり
にＮ２に替えて行った場合（比較例３）、ＣＯに替えて
行った場合（比較例４）、　０２に替えて行った場合（
比較例５）を示す。さらに、Ａｒスパッタエッチを行な
った後、　前処理としてＮｏ吸着を行うのではなく、Ｗ
−ＣＶＤ時に原料ガスにＮｏを添加した場合を（比較例
６）に、それぞれ、示す。

（実施例１） 第１図は、本発明におけるスルーホールへのＷ埋め込み
方法のうち、ＢＣＱ、ドープトエッチを行った後、ＮＯ
吸着前処理を行ったもののプロセスフローを示す。第１
０図は、本発明に用いた孔埋めの選択ＣＶＤ装置を示し
ている。第１０図を参照しながら第１図により実施例を
説明する。第１Ｏ図のロードロック室ｌに基板９を設置
した後、ロードロック室１を真空排気する。１０−’Ｔ
ｏｒｒ程度まで真空排気した後、同室内にあるランプヒ
ータ（図示せず）で基板９を２００℃程度に加熱し、基
板９に付着した水分を焼き出す。加熱中に基板９がらの
水分焼き出しによるロードロック室ｌ内の圧力上昇が停
止（約２分経過後）するのを確認した後、加熱を停止し
ゲートバルブ４，５を開放し基板９をスパッタエッチ室
３に基板搬送機構（図示せず）により搬送し設置する。

このスパッタエッチ室３はあらかじめ１０−’Ｔｏｒｒ
程度までクライオポンプ（図示せず）により真空排気し
てお（、また、スバッタエツチング時の酸化を生じさせ
ないよう、スパッタエッチ室３のリークレートは１０−
”Ｔｏｒｒ・Ｑ／ｓｅｃ以下に抑えておく必要があるが
、この値は少なければ少ない程よい。このスパッタエッ
チ室３は基板９だけを清浄化し、スパッタエッチ室３内
壁や電極８からの金属汚染等が基板９に付着せぬよう、
基板側電極８はカソードカップリングとし、放電中は基
板側に負電位にバイアスが印加され放電中のイオンがス
パッタエッチ室３内壁を極カスバッタせずカソード電極
８側にある基板９だけをスパッタするように構成されて
いる。また、このカソード電極８には、基板９外周の電
極８露出部からの金□属汚染を極力抑えるため石英カバ
ー（図示せず）を設けている。基板９のスパッタエッチ
室３への搬入に伴うゲートバルブ５の開放によりスパッ
タエッチ室３内の圧力は若干上昇するが、基板９設置後
にゲートバルブ５を閉じると瞬時に元の圧力まで回復す
る。これを確認した後、Ａｒガスをスパッタエッチ室３
に導入する。同時に、ＢＣＱ、ガスをスパッタエッチ室
３に導入する。

次に、高周波電源１３によりスパッタエッチ室３内のカ
ソード電極８に高周波電力を印加して放電させ、ＢＣＱ
、プラズマを発生させる。所定時間の間、放電させた後
、　ＡｒガスとＢＣＱ、ガスの導入および高周波の印加
を停止し、放電を停止する。スパッタエッチ室３内の圧
力が再び１０−’Ｔｏｒｒ程度に回復したことを確認後
、ゲートバルブ５を開け、基板９を予め１Ｏ−５Ｔｏｒ
ｒ以下に真空排気しである成膜室２に基板搬送機構（図
示せず）により搬送する。

基板９を成膜室２に搬送、設置した後、ゲートバルブ５
を閉じ、Ａｒを基板９の裏面側に導入し、成膜室２内の
圧力が徐々に上昇し始めると同時にゲートバルブ４を閉
じ、Ａｒガスを成膜室２に導入する。成膜室２で、基板
９は基板加熱用ハロゲンランプ６により石英窓１４を通
゛して赤外線を受は所定温度まで加熱される６基板加熱
用ハロゲンランプ６のパワーは、石英窓１４と基板９の
裏面の間に設置された熱電対７、およびフッ化カルシウ
ム（ＣａＦ、）窓１５を通して基板９の表面から放射さ
れる赤外線をモニタして基板９の温度を測定できるよう
に設置された赤外放射温度計１０によってコントロール
している。また、成膜室２の内壁は水冷し、基板９の面
を除く成膜室２の内壁の温度は基板９の加熱時にも実質
的に成膜反応が進行しない十分な温度まで（約１２０℃
以下に）下げである。

基板９が所定温度まで加熱され温度の変動がなくなった
後、Ｎｏガスを成膜室２に導入する。所定の時間、Ｎｏ
ガスを流し、絶縁膜表面の活性点２６に充分Ｎｏガスを
吸着させた後、ガスの導入を停止する。Ｎｏガスを充分
排気した後、Ａｒに加えＷＦ、とＳｉＨ，を導入し、Ｗ
を選択成長させる。

ここで、ＣＶＤＪＫ料ガスにＮＯが添加されている反応
系では、後の比較例６で述べるが、Ｗの成長が阻害され
るため、ＣＶＤガス雰囲気中にＮｏガスが残らない様に
することが重要である。Ｗを所定膜厚まで成長させた後
、Ａｒ、ＷＦａ、ＳｉＨ，の導入を停止し基板加熱用ラ
ンプ６を消灯させ真空排気する。ゲートバルブ４を開け
て基板９をロードロック室１に搬送する。ゲートバルブ
４を閉じ、Ｎ８を導入リークさせ同時に基板９を冷却さ
せ、ロードロック室１内の圧力が大気に到達した後、基
板９を取り出し、Ｗの穴埋め処理を終了する。

上記プロセスにおける処理条件の一例を後述する評価結
果と併せ、他の実施例および比較例と共に表１の実施例
１の欄に示す。

以　　　　　下　　　　　余　　　　　白なお、基板は
Ｓｉ基板２１上に形成したＷ配線２２上にプラズマＣＶ
Ｄ等によりＳｉｎ、膜２３を成膜した後、ホトエツチン
グによりｌｐｍ角の微細孔（深さ１．２μｍ）ヲ多数個
開口させたテスト用基板を用いた。第１１図（ａ）に第
１図の処理をする前の基板の微細孔（スルーホール部）
の拡大断面図を示す。

第１１図（ａ）で、２１はＳｉ基板、２２は下地Ｗ配線
、２３はプラズマＳ　ｉＯを膜、２４は開口部のＷ配線
上の表面酸化膜、２６はプラズマＳ　ｉＯｚ膜形成時に
発生した表面欠陥に起因すると思われる活性点である。

第１１図（ｂ）に　ＢＣＱ、ドープトエッチ処理をおこ
なった後のスルーホール断面図を示す。第１１図（ｂ）
では、第１１図（ａ）に見られたＷ表面酸化膜２４は取
り除かれている。しかし、Ｓｉｎ、膜形成時に発生した
表面欠陥に加え、除去工程におけるプラズマダメージに
よりＳｉｎ、膜２３上に活性点２６が発生している。第
１１図（Ｃ）は、活性点にＮＯガスが吸着している様子
を示す。第１１図（Ｃ）では、Ｗ配線２２上に、直接、
Ｗ膜２７が成長し、スルーホールが埋め込まれた断面図
を示す。

次に、本発明におけるＷ膜による穴埋めを実施した基板
について、選択性および微細孔導通部のコンタクト抵抗
について評価した。これらの結果は、表１に示している
。選択性については、１μｍＷ埋め込み後の基板９を光
学顕微鏡の倍率を二千倍にして暗視野において観察した
が視界の中にはＷの粒子は全く観察されず、選択性が極
めて良好であることを確認した。また、導通評価は、上
記テスト用基板がＷ孔埋め後に上層ＡＱ配線を形成する
と、凸子ないし二十万個連続スルーホールチェーンの直
列抵抗が測定される様になっており、ＷおよびＡＱ配線
抵抗分を引いた抵抗値をスルーホールの数で割ったもの
をＷ／Ｗ界面部のコンタクト抵抗とした。本実施例では
０．３０〜０．４５Ω／ｐｍ０とスパッタ　ＡＱ／Ｗ界
面部のコンタクト抵抗の約六ないし十倍と良好な値を示
した。この値は、４７５℃、９０分の熱処理後にも殆ん
ど変動がなかった。

（実施例２） 実施例１と同一の装置、基板を用い、実施例１で行った
表面酸化膜除去の前処理を行なわなかつた以外は全て実
施例１と同じ条件で行なった（表１の実施例２参照）。

本実施例を行なった時のプロセスフローを第２図に示し
た。本実施例は、表面酸化膜除去の前処理を行わなかっ
た場合でも、Ｎｏによる絶縁膜表面欠陥部分の安定化効
果があることを示すために行なった。実施例１と同様に
、第１２図（ａ）に第２図の処理をする前の基板スルー
ホール部の拡大断面図を示す。第１２図（ｂ）では、活
性点にＮｏガスが吸着している様子を示す。ここでは、
特に酸化膜の除去処理を行なっていないため、Ｗ表面酸
化膜２４はまだ残留している。さらに、第１２図（Ｃ）
では、Ｗ配線２２上に、直接、Ｗ膜２７が成長し、スル
ーホールが埋め込まれた断面図を示す。選択性は実施例
１と同様、極めて良好であった。また、導通評価も実施
例１と同様、０．３０〜０．４５Ω／ｐｍ０と良好なコ
ンタクト抵抗値を得た。

これは、Ｗ配線特有の現場で、Ｗ配線上の酸化膜がＣＶ
Ｄ中に原料ガス（Ｗ　Ｆ　ａ　、　Ｓ　ｉ　Ｈ４）　ニ
ヨッてエツチングされ、Ｗを成膜した後に形成されるＷ
／Ｗ界面にコンタクト抵抗を増加させるような酸化膜が
残留していないことを示している。

（比較例１） 比較例２と同一の装置、基板を用い、実施例１で行った
表面酸化膜除去の前処理およびＮｏ吸着前処理を行なわ
なかった以外は全て実施例１と同じ条件で行なった。（
表１の比較例１参照、すなわち、実施例２に対し、Ｎｏ
吸着前処理を行わなかったもの）。本比較例を行なった
プロセスフローを第３図に示した。本比較例は、Ｎｏの
絶縁膜表面欠陥部分の安定化効果を示すために行なった
実施例２と比較するために行なった。導通評価は実施例
１と同様、０．３０〜０．４５Ω／μｍ０と良好なコン
タクト抵抗値が得られたが、選択性に関しては予想した
通り実施例２と比較すると若干選択性レベルが低くなっ
た。

（実施例３） 実施例１と同一の装置、基板を用い、実施例１で用いた
ＢＣＱ、ドープトエッチの代わりに、Ａｒガスのみのス
パッタエッチによってＡＱ表面酸化膜除去の前処理を行
なった以外は、全て、実施例■と同じ条件で行なった（
表１の実施例３参照）。

本実施例を行なった時にプロセスフローを第４図に示し
た。本実施例は、Ａｒスパッタエッチによって絶縁膜表
面に多量の活性点を発生させても、Ｎｏ吸着前処理によ
って絶縁膜表面の安定化を図ることにより、選択成膜が
可能となることを示すために行なった。実施例１と同様
に、第１３図（ａ）に第４図の処理をする前の基板スル
ーホール部の拡大断面図を示す。第１３図（ｂ）にＡｒ
スパッタエッチ処理をおこなった後のスルーホール断面
図を示す、ここでは、第１３図（ａ）に見られたＷ表面
酸化膜２４は取り除かれている。しかし、スパッタエッ
チ時のプラズマダメージにより５ｉＯｚｌｉ２３上に多
量の活性点２６が発生している。第１３図（Ｃ）では、
活性点にＮｏガスが吸着している様子を示す、さらに、
第１３図（ｄ）では、これまでの実施例や比較例と異な
り、Ｗ配線２２上からだけでなくスルーホール側壁部の
リスバッタＡＱ２５からもＷ２Ｂが成長してスルーホー
ルを埋め込んでいる様子を示している０選択性に関して
は、実施例１と比較してＡｒスパッタエッチによって生
じる絶縁膜表面上の活性点が極めて多くＮｏによる安定
化効果が完全でないため若干選択性の低下が見られたが
、導通評価では導通の取れたものについても実施例１と
同様に０．３０〜０．４５Ω／μｍ０と良好な値が得ら
れた。

（比較例２〜５） 実施例１と同一の装置、基板を用い、実施例３と同様に
ＡｒスパッタエッチによってＡ、Ｑ表面酸化膜除去の前
処理を行なった後に、実施例３のＮｏ吸着前処理に対し
て、ガス吸着前処理を行なわない（比較例２）、ＮＯの
代わりにＮ２を用いた前処理（比較例３）、ＣＯを用い
た前処理（比較例４）、Ｏ！を用いた前処理（比較例５
）を行なった以外は全て実施例３と同じ条件で行なった
（表１の比較例２〜５参照）。　これらの比較例を行な
った時のプロセスフローは第５図ないし第８図に示した
。

これらの比較例は、Ｎｏガスの吸着による絶縁膜表面部
活性点の安定化効果がない場合、あるいは、他のガスと
比較するために行なった。選択性評価結果では、先に述
べたように、ＮＯ特有の電子構造により絶縁膜表面部活
性点の安定化効果があるのに対し、それ以外の分子では
０２に若干の効果が見られる以外は全く効果が無く、全
面成膜となってしまった。また、これらの比較例では全
面成膜となったため、導通評価を行なうことができなか
った。

（比較例６） 実施例１と同一の装置、基板を用い、実施例３と同様に
ＡｒスパッタエッチによってＡＱ表面酸化膜除去の前処
理を行なった後に、今度は実施例３のＮｏ吸着前処理後
にＷ成膜を行なったのに対して、前処理時ではなく、成
膜時にＮＯを添加してＷ成膜を行なった。本比較例を行
なった時のプロセスフローは第９図に示した。本比較例
は、ＮＯガスの吸着状態が成膜前に起こった場合と成膜
中に起こった場合を比較するために行なった（表１の比
較例６参照）。本比較例では、これまでの実施例および
比較例と全く異なり、絶縁膜上にＷ成膜が起こらないの
と同時にスルーホール部のＷ上にも全く成膜しなかった
。従って、スルーホール部の埋め込みが行なわれなかっ
たため、導通評価で導通を得ることはできなかった。絶
縁膜上にもＷ上にも全く成膜しなかった理由は、以下の
ように推定できる。

絶縁膜上の活性点をＳｉのダングリングボンドと仮定し
て、吸着したガスとＳｉとの吸着エネルギの関係をＮｏ
−３ｉ＞ＷＦ、−３ｉ＞５ｉＨ４−３ｉ。

あるいは、Ｎｏ−３ｉ＞ＳｉＨ＊−３ｉ＞ＷＦ、−３ｉ
とした場合、成膜前であっても成膜中であっても、−旦
、Ｎｏが活性点に吸着すればＷの成膜は起こらないと考
えられる。一方、吸着したガスとＷとの吸着エネルギの
関係をＷＦ、−Ｗ＞　Ｎ　Ｏ−Ｗ＞５ｉＨ４−Ｗあるい
は　Ｓ　ｉ　Ｈ、−Ｗ　＞　Ｎ　Ｏ−Ｗ　＞ＷＦ、−Ｗ
　とした場合、成膜前のみＮｏを吸着させ成膜中のガス
雰囲気にＮＯが無ければＷ表面はＮＯよりも吸着エネル
ギの大きなＷＦい　あるいは、ＳｉＨ，に置換し成膜反
応が進行することになるのに対し、成膜中のガス雰囲気
にＮＯが存在していると原料ガスであるＷＦ、あるいは
　ＳｉＨ，の何れか吸着エネルギの大きなガスが先ず吸
着しても、成膜反応を起こすためのもう一方のガスがＮ
ｏにより吸着を阻害されるため成膜反応が進行しない。

実施例３で絶縁膜表面部に極めて多量の活性点がある場
合にはＮｏの安定化効果も完全ではないことを示したが
、Ｎｏの安定化効果を用いた本発明の有効性が確認でき
た。さらに、比較例６で述べたように、成膜中にＮＯを
添加すると成膜が阻害されるため、成膜中の雰囲気には
極力Ｎｏが残留せぬよう注意することが重要である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、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
埋める方法において、選択ＣＶＤを施す前に下地につい
て、予め希ガス単独、ハロゲン単独あるいはこれらの混
合ガスのプラズマによって下地表面酸化膜の除去を行い
、この表面酸化膜除去工程によって、あるいは、絶縁膜
形成時に生じた絶縁膜表面のダメージ部分に一酸化窒素
を吸着させて表面を安定化する処理を行い、処理後の下
地金属を大気にさらすことなく選択ＣＶＤ処理を施すこ
とによって、選択性が良好で、かつ、下地金属と孔埋め
金属間の界面抵抗の低い孔埋めを行うことができる。こ
のことにより、微細接続孔の孔埋めが必要なＬＳＩや計
算機等の多層プリント板等の多層配線の信頼性向上に寄
与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第９図は本発明の実施例および比較例にお
いてスルーホールまたはコンタクトホールをＷで埋め込
んだ時の選択ＣＶＤにおけるプロセスフローチャート、
第１０図は本発明の実施例で用いたＣＶＤ装置の説明図
、第１１図ないし第１３図は本発明の方法によりスルー
ホールをＷで埋め込む過程を示す部分拡大図、第１４図
はＡｒスパッタエッチ、Ａｒ／ＮＦ、混合プラズマ、Ａ
ｒ／ＣＱＲ混合プラズマおよびＡｒ／ＢＣＱｓ混合プラ
ズマにょるＡＱ酸化膜（ＡＱ、０．膜）のエツチングレ
ートをプラズマへの投入パワーに対してプロットした図
である。 １　・・・・・・　ロードロック室　２　・・・・・・
成膜室３　・・・・・・スパッタエッチ室 ４．５　　・・・ゲートバルブ ６　・・・・・・加熱用ランプ　　７　・・・・・・熱
電対８　・・・・・・カソード電極　　９　・・・・・
・基板１０・・・・・・赤外放射温度計 １１・・・・・・ＷＦ３、Ｈｚ、ＳｉＨ４，Ｎ２ガス導
入管１２−・−・・・Ａｒ、　ＣＱｚ、　ＢＣＩＱ３．
　ＮＦｓ、　Ｏｘガス導入管 １３・・・・・・高周波電源　　　１４・・・・・・石
英窓２１・・・・・・　Ｓｉ基板　　　　２２・・・・
・・Ｗ配線２３・・・・・・　Ｓ　ｉＯｚ　ｊＩ　　　
　　２４・・・・・・表面酸化膜２５・・・・・・　リ
スバッタＡρ　２６・・・・・・活性点２７・・・・・
・Ｎｏ分子　　　　２８−・・・・・Ｗ膜梵１図 第２図 〒５霞 〒４図 〒５霞 ’ｆｆ１Ｇ図 〒″７霞 イ８（２］ イの履 〒１０図 幣１２図 ？１ ２８−）’ｊ月更

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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により埋める方法に
   おいて、 （１）前記基板上の前記微細孔の底部下地表面の清浄化
   処理 （２）前記清浄化処理によつて活性化した前記絶縁膜の
   表層部の安定化処理 （３）金属の選択ＣＶＤ の三つの処理を、順次、行うことを特徴とする微細孔へ
   の金属孔埋め方法。 ２、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により埋める方法に
   おいて、 （１）絶縁膜表層部活性点の安定化処理 （２）金属の選択ＣＶＤ の二つの処理を、順次、行うことを特徴とする微細孔へ
   の金属孔埋め方法。 ３、請求項１または２において、前記微細孔底部の下地
   表面の清浄化処理が、希ガスプラズマによるスパッタエ
   ッチング、あるいはハロゲンガスあるいはハロゲン化合
   物ガスを含むガスのプラズマ処理である微細孔への金属
   孔埋め方法。 ４、請求項１または２において、前記希ガスはＡｒであ
   り、ハロゲンガスあるいはハロゲン化合物ガスはＮＦ＿
   ３、ＣＦ＿４、ＣＨＦ＿３、ＳｉＦ＿４、Ｃｌ＿２、Ｂ
   Ｃｌ＿３、ＣＣｌ＿４またはＳｉＣｌ＿４である微細孔
   への金属孔埋め方法。 ５、請求項１または２において、前記絶縁膜表層部の安
   定化処理が、前記基板を一酸化窒素を含む雰囲気にさら
   す処理である微細孔への金属孔埋め方法。 ６、請求項１において、前記基板を大気中にさらすこと
   なく、前記微細孔底部の下地表面の清浄化処理、前記絶
   縁膜表層部の安定化処理および金属の選択ＣＶＤを連続
   して行う微細孔への金属孔埋め方法。 ７、請求項２において、前記基板を大気中にさらすこと
   なく、前記微細孔底部の下地表面の清浄化処理、および
   金属の選択ＣＶＤを連続して行う微細孔への金属孔埋め
   方法。