JPH06283445A - 金属の選択cvd前処理装置 - Google Patents

金属の選択cvd前処理装置

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JPH06283445A
JPH06283445A JP7150093A JP7150093A JPH06283445A JP H06283445 A JPH06283445 A JP H06283445A JP 7150093 A JP7150093 A JP 7150093A JP 7150093 A JP7150093 A JP 7150093A JP H06283445 A JPH06283445 A JP H06283445A
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JP
Japan
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film
gas
wafer
metal
substrate
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Application number
JP7150093A
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English (en)
Inventor
Natsuyo Chiba
なつよ 千葉
Eisuke Nishitani
英輔 西谷
Susumu Tsujiku
進 都竹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【構成】ウエハ3をウエハ載せ台4に置きAr等基板と
の反応性の低いガスを比較的高圧に導入し、高周波電源
9よりウエハ載せ台に高周波を印加しチャンバ1内にプ
ラズマを立てる。この時基板表面に誘起される自己バイ
アスにより基板に正のイオンが導入されるが、基板が設
置されているため絶縁層のみが正に帯電する。さらにガ
スシャワ2につなぎ込んだDC電源10によりガスシャワ
表面に正の電圧を印加し基板上導電層に負の電荷を誘起
する。 【効果】処理する基板上の絶縁層を正に導電層を負に帯
電させることにより、基板の表面電荷を選択して反応の
進むWの選択CVDプロセスの膜表面の均一性や再現性、
選択性が向上した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は配線膜のCVDの前処理
装置に関し、特に高選択に成膜を行なう際の前処理装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】Wの選択CVDは、高集積化の進むLS
Iの次期配線技術として重要であり、現在実用化に向け
て研究が盛んである。
【0003】Wの堆積はソースガスであるWF6の還元
反応によって起こる。還元は添加するSiH4やH2ガス
により起こるが、成膜の初期段階においては被成膜面に
吸着したソースガス分子に電子が供給されることにより
起こると考えられている。伊藤らの報告(1990 DRY PRO
CESS SYMPOSIUM p45;Mechanism for Selective Tungste
n Growth Employing a WF6 and SiH4 Mixture)に依れ
ば、WF6とSiH4を用いた系でSi上にWの膜を堆積す
る際、最初に形成される薄いW層はSi表面からの電子
の供与によってWF6が還元されて生成した膜である。
従って最初のW膜の堆積しやすさは下地の種類に大きく
依存する。種々の絶縁膜を用いて検討した結果、下地の
電子の与え易さの目安としてその絶縁膜を形成する元素
の電気陰性度の平均値を計算すると、W膜の堆積量はこ
の電気陰性度の平均値の小さいもの程大きく、すなわち
電子を与えやすい表面程Wの成膜が進行することが確か
められた。従って、選択成膜は気相反応を抑えた場合に
は、電子を供給する面上のみで還元反応が起こることに
より達成されると考えられる。
【0004】一方選択成膜を行なう基板の表面について
考えると、絶縁膜が熱酸化膜のような化学量論に合った
膜である場合には電子を供給する欠陥が少ないので、そ
の表面でWの還元反応が起こって選択性の破れを引き起
こすことは稀である。しかし実際のウエハでは配線を施
す面が熱酸化膜ではなく、反応の起こり易さは絶縁膜の
種類やその経てきたプロセス条件に大きく依存する。田
丸らに依れば(1990 DRY PROCESS SYMPOSIUM p51;Relat
ionship Between Silicon Oxide Surface andSelectivi
ty Loss in Selective CVD of Tungsten)現在配線の
層間絶縁膜として広く用いられているp-TEOS膜(テトラ
エトキシシランを原料ガスとしたプラズマ重合膜)で
は、選択性の破れが異物数で熱酸化膜の40倍であり、こ
れがレジスト工程を経ることにより200倍にまで進む。
これはp-TEOS膜の表面はゆるいSi-O-Si結合を有して
おり、容易に切れた結合面に空気中の水分やレジスト工
程において曝される活性なO2が吸着しSi-O-Hとな
り、これが成膜反応の際に活性なSiとなってWF6の還
元反応に寄与するためと考えられている。そこでこの様
な活性な吸着点をなくすためにBCl3によるプラズマ処
理を施し、Clラジカルを活性なSiサイトへ吸着させる
ことが有効であると報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしBCl3による表
面の安定化の影響は絶縁膜のみならず導電膜にもおよ
び、充分にBCl3処理を行なった場合逆に導電膜上での
成膜の開始を阻害する。このため成膜の開始にバラツキ
が見られ成膜後の表面の均一性が劣る、あるいは成膜後
の膜厚が所定の厚さに達しないという問題が生じる。
【0006】従来の技術では、導電面のみを電子供与の
可能な活性面とすると同時に、非導電面を不活性にする
ような表面処理技術が確立されておらず、これに続く成
膜プロセスの膜表面の均一性、制御性に乏しかった。
【0007】そこで本発明では、表面活性度ではなく表
面電位を変えることにより反応のし易さを変えるという
手法を用いて、簡便に高選択成膜の可能な被処理表面を
得、成膜後の膜表面の均一性、成膜プロセスの制御性を
向上させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本課題を解決するために
は (1)絶縁膜表面のみを正に帯電させること (2)導電膜表面のみを負に帯電させること が必要と考えた。
【0009】(1)については、高周波(好ましくは10kHz
以上)でAr、He等の希ガスあるいはN2、H2等表面に
対して不活性なガスのプラズマを生成し、カソードカッ
プリングで高周波電源に接続された電極上に試料を置
き、電極に生成する小さな負の自己バイアスによりプラ
スイオンのみを基板表面に引き込む。この時入射するイ
オンのエネルギが大き過ぎると絶縁膜表面を損傷し選択
性劣化の原因となるので、ガス圧はイオンの運動エネル
ギがガスとの衝突により基板表面へのダメージを与えな
い程度に抑えられるのに充分な圧力(好ましくは100Pa
以上)とする。
【0010】(2)については、導電層の表面に負の電荷
を誘起するに充分な電場を基板の表面に印加する。
【0011】
【作用】13.56MHzの高周波電圧を電極間に印加して生じ
たプラズマ中には正イオンと電子が共存し、高周波印加
電極とプラズマとの境界領域にイオンシースと呼ばれる
領域が生成する。高周波電圧を電極に印加した場合、プ
ラズマ電位に対して正電位では電子が流れ、負電位では
正イオンが流れるが、電子の質量はイオンの10~3〜10~5
倍小さいので正イオンに比べて103〜105倍電子が流れや
すい。定常状態においては、図2(a)に示すような直流
電位分布となり電子の流れとイオンの流れが等しくな
る。すなわち、図2(b)に示したように、プラズマから
引き出される両者の数が高周波の一周期で等しくなるよ
うに、プラズマとRF電極間に直流バイアス-Vdcが発
生するといえる。
【0012】この-VdcによりAr+等のイオンが基板に
引き込まれる。その際、ガスの圧力を十分高くすれば、
イオンが基板に到達するまでの間にガスとの衝突を十分
に繰返し、イオンの持つ運動エネルギが低下するために
基板表面にダメージを与えることはなくなる。
【0013】Ar+イオンに曝されることにより、基板表
面の絶縁膜も導電膜も同様に表面が正に帯電しようとす
る。しかし、導電層は基板と基板を載せる台座を介して
接地されているので、基板表面の絶縁膜のみが正に帯電
することとなる。
【0014】一方、基板の外部から電場をかけると、表
面に向かう法線方向の電場は表面より電子を引き出そう
とする。この時導電膜には自由電子が存在しこれが誘導
されて表面に溜り外部電場を遮蔽する。しかし、絶縁膜
中には自由に動ける負の荷電粒子が存在しないため表面
電荷は変化し得ない。このことにより導電膜のみが負に
帯電することとなる。
【0015】
【実施例】課題を解決する手段として提案した絶縁膜に
正の表面電荷を導入する方法について、まずその効果を
確認する実験を行ない、次に導電膜に負の表面電荷を誘
起した効果を確認する実験を行なった。
【0016】〔実施例1〕実験に用いた装置の概略を図
1に示す。基板を支える台座に13.56MHzの高周波電源
を接続し、チャンバをアースに接続した。前処理後連続
してCVDが行なえるようにガスシャワには前処理用ガ
スArとCVD用ガスWF6、SiH4を導入するための配
管をつなぎこんだ。ガスシャワは処理する基板に電場を
かけられる様にチャンバとは絶縁されDC電源と接続さ
れている。加熱源としてはランプを用いた。チャンバ内
の圧力を調整できるようコンダクタンス可変なバルブを
介してポンプを接続した。
【0017】選択性を評価するための試料としてSi基
板上にAlをスパッタ蒸着し、その上にSiO2を堆積、
パターニングして、Alの露出した開口部をもつウエハ
を作製した(図3)。Al開口部の大きさは5×0.5 mm2
あり、一組のAl開口部に挟まれたSiO2の面積は5×
0.2mm2である。5インチウエハ上のAl開口部の対は25
組である。
【0018】ウエハをチャンバに入れ真空に排気した。
10~4Pa程度まで排気した後Arガスを導入しコンダクタ
ンス調整バルブで排気速度を抑えることにより、チャン
バ内のガス圧力を100Paに調整した。ウエハを支える台
座に13.56MHzの高周波を印加し、チャンバ内にArガス
のプラズマを1分立てた。この時基板に誘起された自己
バイアスは8Vであった。その後再度チャンバを真空排
気しランプにてウエハを高速に加熱し、ウエハ温度が24
0℃に安定したところでWF6、SiH4を導入してWの堆
積を行なった。
【0019】比較のため、従来法の前処理をおこなった
後、Wの成膜を行なった。まずCVDチャンバに隣接し
た前処理チャンバに基板を設置しBCl35sccm、Ar 10
0sccmを流した。排気のコンダクタンスを変化させガス
圧を2.6Paに保って、13.56MHzの高周波を基板に印加し
て3分間のプラズマ前処理をおこなった。この基板をC
VD室に真空を破ることなく搬送し、前述と同様のCV
Dを行なった。
【0020】反応の様子をモニタするため、CVDチャ
ンバから排気されるガスの一部をサンプリングし、四重
極質量分析計で反応生成ガス量の変化を観測した。ここ
でWF6とSiH4を原料ガスとしたCVD反応で発生す
るガスをイオン化するとSiF3 +が主なピークとして観
測される。反応生成物SiF3 +のイオンピーク強度の時
間変化を図4示す。反応ガスの導入開始を0分とし、2
分後にガスの導入を止めている。(a)は提案した前処理
法を用いた場合のイオンピーク強度の時間変化であり、
(b)は従来法を用いた場合である。従来法では、成膜が
開始するまでのラグタイムが1分近くあり、成膜が開始
してからもSiF3 +イオン強度は緩やかに増加してい
る。これは、前処理後の表面に前処理ガスが吸着し、そ
の脱離がWF6の表面への吸着を阻害しているためと考
えられる。同一基盤表面上であってもガス導入から成膜
開始までの時間に差異があるために、成膜後の膜厚均一
性は低いと考えられる。一方、前処理にArガスの弱い
プラズマを用いた本発明による方法の場合(図4(a))
ラグタイムは殆ど観測されず、また、反応生成物のイオ
ン強度は急俊に立ち上がっており、成膜が成膜表面で均
一に起こっている事が示唆された。これにより、提案し
た前処理方法では前処理の残留ガスの影響を受けること
が少ないことが確かめられた。
【0021】次に、W膜堆積後の表面状態の観察を金属
顕微鏡により行なった。堆積したW膜の表面状態を比較
すると、イオンピーク強度の時間変化から予想した様
に、従来の前処理法ではW粒が島状に成長し表面均一性
は悪く、本発明の前処理方法においては平滑な表面が観
測された。さらに選択性のレベルを比較するためにAl
パターンに挟まれた1mm2のSiO2膜上のW粒の数を数え
た。従来法では、異物数の25個のパターンでの平均が3.
2個/mm2であったのに対し、本発明の前処理法では0.7個
/mm2に低減され、本発明の前処理法が選択成膜において
選択性向上に効果のあることを確認した。
【0022】〔実施例2〕実施例1で述べた実験装置の
ガスシャワーにDC電源をつなぎ込んだ。実施例1と同
様の前処理の後、基板とガスシャワーの間に106V/mの
電圧をかけた状態で成膜を行なった。成膜後の金属顕微
鏡によるSiO2上の異物数の測定では、平均値が0.3個/
mm2であり、高選択成長に対する導電膜表面に負電荷を
誘起した効果を確認した。
【0023】
【発明の効果】本発明によればWのCVD装置に、基板
表面の導電層に負の、絶縁層に正の電荷を誘導する機能
を設けたことにより、反応のラグタイムが短くまた反応
の立上りが急俊になって、成膜反応の膜表面の均一性や
制御性が向上し、また選択CVDにおける選択性が向上
した。
【0024】これにより高選択な微細孔への導体金属の
穴埋めを簡便に行なえるようになり、微細接続孔の穴埋
めが必要な、例えばLSI、液晶表示装置、その他計算
機の記憶装置の如き電子部品を多数個搭載、実装する多
層プリント版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】
【図1】基板への高周波の印加とガスシャワへのDC電
圧の印加の可能な装置の概略図である。
【図2】図1の装置において基板に高周波をかけた際に
基板表面に発生する自己バイアスの説明図である。
【図3】実験に用いた選択性の評価の可能なサンプルを
示す図である。
【図4】改良した前処理法を用いた場合の反応生成物に
起因するSiF3 +イオン強度の時間変化(a)及び従来
の前処理法を用いた場合のSiF3 +イオン強度の時間変
化(b)を示す図である。
【符号の説明】
1…チャンバ、 2…ガスシャワ、 3…ウエハ、 4…ウエハ載せ台、 5…石英板、 6…ランプ、 7…コンダクタンス調整弁、 8…ポンプ、 9…高周波電源、 10…DC電源、 11…絶縁体

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属の選択CVDを行なう際にあらかじめ
    基板の絶縁層の表面電位を正にすることを特徴とする金
    属の選択CVD前処理装置。
  2. 【請求項2】金属の選択CVDを行なう際にあらかじめ
    基板の導電層の表面電位を負にすることを特徴とする金
    属の選択CVD前処理装置。
  3. 【請求項3】金属の選択CVDを行なう際にあらかじめ
    基板の絶縁層の表面電位を正にすると共に導電層の表面
    電位を負にすることを特徴とする金属の選択CVD前処
    理装置。
  4. 【請求項4】絶縁層の表面電位を正にする手段が、A
    r、He等の希ガスのプラズマや N2、H2等基板に不活
    性なガスのプラズマに曝すことであることを特徴とする
    請求項1又は3記載の金属の選択CVD前処理装置。
  5. 【請求項5】導電層の表面電位を負にする手段が静電誘
    導によることを特徴とする請求項2又は3記載の金属の
    選択CVD前処理装置。
JP7150093A 1993-03-30 1993-03-30 金属の選択cvd前処理装置 Pending JPH06283445A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023516866A (ja) * 2020-12-03 2023-04-21 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド トレンチ構造内の選択的タングステン堆積

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023516866A (ja) * 2020-12-03 2023-04-21 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド トレンチ構造内の選択的タングステン堆積

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