JPH097969A - 微細孔への金属穴埋め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】Ｗ選択ＣＶＤを代表とする選択ＣＶＤによる微
細孔穴埋め法において、微細孔下地を清浄化するための
処理を行っても選択性が低下しないようになす。 【解決手段】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で穴埋めする方法におい
て、微細孔底部下地表面を清浄化処理し、該清浄化処理
工程によって活性化した絶縁膜表層部を安定化処理し、
金属の選択ＣＶＤを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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により穴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
金属で穴埋めするのに好適な金属穴埋め方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化に伴い、素子−配線間
或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、該スルーホールを導体で穴埋めする方
法がとられている。スルーホールを穴埋めする方法とし
てはいくつかの方法があるが、その中で、スルーホール
径が微細な場合にも穴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ＣＶＤが、実用化が最も期
待されている方法である。

【０００３】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（ＷＦ₆）ガスおよび
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Ａｌ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。 ＷＦ₆ ＋ ２Ａｌ → Ｗ ＋ ２ＡｌＦ₃ （１） ＷＦ₆ ＋ ３Ｈ₂ → Ｗ ＋ ６ＨＦ （２） ＳｉＯ₂等の絶縁膜上では、（１）の反応は起こらず、
また（２）の反応も７００℃以下の温度では進行しない
ため、ＷがＡｌ上のみ選択成長し、スルーホールの穴埋
めが達成されることになる。

【０００４】Ｗの選択ＣＶＤに関するこれまでの文献と
しては、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサ
イアテイ第１３１巻（１９８４年）１４２７頁から１４
３３頁（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３
１，１４２７（１９８４））やブイ・エル・エス・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）
（Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＶＬＳＩ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ
Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ（Ｊｕｎｅ １５−１６，１９８７）Ｐ１３２−１
３７）等が挙げられる。しかし、これらに述べられてい
る方法を用いても、Ａｌ配線上に存在する酸化膜や
（１）の反応で生成するＡｌＦ₃といった絶縁物がスル
ーホール内でのＷとＡｌの界面に残留し、スルーホール
部において良好な導通を得ることが困難であった。

【０００５】これを解決する方法として、ブイ・エル・
エス・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（Ｐｒｏ
ｃ．ｏｆ ＶＬＳＩ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅ
ｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｊｕ
ｎｅ １５−１６，１９８７）Ｐ２０８−２１５）に開
示されているように、基板温度を３８０℃以上に加熱し
て成膜する方法や、東芝レビュー第４１巻１２号９８８
頁から９９１頁に開示されているように、Ａｌ上に薄い
ＭｏＳｉ₂膜を付け（厚さ約５００Å）、ＡｌとＷの間
にＭｏＳｉ₂を入れることにより、Ａｌ表面酸化膜やＡ
ｌＦ₃が界面に残らずＷを成膜する方法がある。

【０００６】また、最近、還元ガスとしてＨ₂の代わり
にＳｉＨ₄系ガスを用いる方法が報告されている。例え
ば、ＥＣＳ日本支部第１回シンポジウム（１９８８）
「超ＬＳＩ用ＣＶＤ技術」予稿集第４８頁から第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２５０〜３２０℃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
が失われ、選択的に穴埋めすることはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、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配慮がなさ
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、スルー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、或いはスルーホー
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が形成され、隣接するスルーホール間の
短絡を生ずる等の問題点があった。

【０００８】即ち、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ッチングプロ
セスに伴う汚れが付着していたり、ハロゲン系のガスを
エッ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Ａｌの場合Ａｌ₂Ｏ
₃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ＷＦ₆のエッチング作用や加熱
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スパッタエッ
チング−Ａｌのスパッタリング成膜の連続処理で形成し
たＡｌ／Ａｌ界面における導通抵抗に対し約３〜１０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／Ａｌ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、Ａｌ上にＭｏＳｉ
膜を付けた（厚さ約５００Å）積層構造のＡｌを下層の
配線として用いる方法が提案された。即ち、微細孔底部
の露出部をＡｌよりも酸化し難いＭｏＳｉ₂膜にするこ
とにより界面の残留Ｏを低減させ、さらに前記（１）式
による蒸気圧の低い絶縁性のＡｌＦ₃が界面で生成しな
いため、形成されたＷ／ＭｏＳｉ₂／Ａｌ界面の導通抵
抗はＡｌ同士の導通抵抗とほぼ同じと良好な値になる。
しかし、この方法で行うには、ＭｏＳｉ₂とＡｌの重ね
膜の配線を形成するためのエッチングを必要とすること
や、抵抗値の高いＭｏＳｉ₂を用いることによる配線抵
抗の増大といった問題が伴う。この抵抗増大は、ＭｏＳ
ｉ₂の膜厚がＡｌの膜厚と比べ極めて薄いため、ＤＲＡ
ＭやＳＲＡＭ等のＭＯＳＬＳＩ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バイ
ＣＭＯＳ等のＬＳＩにおいて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。

【０００９】一方、微細孔底部の下地にＡｌを用い、こ
の下地表面を清浄化（Ａｌ表面のＡｌ₂Ｏ₃除去を含む）
してからＷを穴埋めする方法もいくつか試みられてい
る。下地表面を清浄化する方法として、フッ酸（ＨＦ）
或いはフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）等のフッ酸系溶
液によるウェットエッチング処理、またはＡｒ⁺イオン
によるスパッタエッチング処理がある。しかし、前者の
場合、洗浄乾燥後にも微量に残留したフッ素により下地
Ａｌ配線の腐食を生ずるといった問題が起こる。また、
後者のスパッタエッチング処理は、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Ａｌ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
うにスパッタエッチングの際、絶縁膜も同時にスパッタ
エッ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。
絶縁膜がスパッタエッ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、ＳｉＯ₂膜ではＯ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ＥＳＣＡ）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．Ｖａｃ．Ｓｃ
ｉ，Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ３（５）（１９８５）ｐｐ１９
２１−１９２８）やジャーナル・オブ・フィジックス
デイ−：アプライド フィジックス２０（１９８７）第
１０９１頁から１０９４頁（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．２０（１９８７）ｐｐ１０９１−１０９
４）において論じられている。

【００１０】このような条件で前述したＷ選択ＣＶＤを
行うと、下記反応によりＷの成長が進行すると推定され
る。 ＷＦ₆ ＋ ３／２Ｓｉ → Ｗ ＋ ３／２ＳｉＦ₄ （３） 従って、ＳｉＯ₂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ともに、
絶縁膜上に形成された金属膜は剥離し易いため、基板上
のゴミとなって残り、歩留り低下を引き起こす。

【００１１】これまで、Ａｌ上の表面酸化膜が最も除去
困難な代表として一般的に知られていることから、Ａｌ
配線を下地とした微細導通孔（スルーホール）の場合を
例にとり説明した。ところで、ドープしたＳｉや各種バ
リアメタルやゲート配線上（ＷＳｉ₂，ＭｏＳｉ₂，Ｔｉ
Ｓｉ₂，ＰｔＳｉ，ＴｉＷ等）を下地とした微細導通孔
（コンタクトホール）の埋め込みにおいては、上記スル
ーホールとは違った問題点がある。即ち、コンタクトホ
ールの下地となり得る上記材質表面にはＡｌの表面酸化
膜ほど強固な酸化膜を形成しないため比較的容易にＷを
形成するが、同一基板上に数種の異なる材質が微細孔底
部の下地として存在し、これらの下地材質の違いにより
Ｗの成長速度が変化してしまい、ある下地の微細孔では
Ｗ埋め込みが完了しているのに対し、他の微細孔ではＷ
の成長が開始したばかりという事態が生ずる。これは、
下地表面に存在する酸化膜等が下地材質の違いにより膜
厚、膜質等が異なっていると推定されるためである。

【００１２】一般にＷＣＶＤでは原料ガスの導入ととも
にＷの成長が開始する訳ではなく、表面酸化膜がエッチ
ングされるか或いは表面酸化膜がポーラスであるため膜
中をＷＦ₆が浸入し、下地材質表面と反応して徐々にＷ
の核を形成し、実質的にＷの成長が開始するまでにはガ
ス導入後からのラグタイムが存在すると考えられてい
る。従って、下地の表面酸化膜の膜厚や膜質の異なる微
細孔が同一基板上に存在する場合には、結果的に同じＷ
の埋め込み膜厚を得ることは困難となる。そこで、均一
なＷ埋め込み膜厚を得るためには、これら下地の表面酸
化膜を取り除く必要がある。コンタクトホールの下地材
質として使用されるドープしたＳｉや各種シリサイド等
においては、下地表面の清浄化方法としてＡｌのように
腐食を生ずるといった問題がないことから、フッ酸（Ｈ
Ｆ）或いはフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）等のフッ酸
系溶液によるウェットエッチング処理が行われ表面酸化
膜は取り除かれる。しかし、このウェットエッチング処
理が行われた基板であっても、乾燥中或いはＣＶＤ装置
に搬入するまでの間に表面酸化膜が形成され、Ｗの埋め
込み膜厚が不均一になるという問題は解決されない。こ
れに対して、スパッタエッチング処理とＷ成膜を連続し
て行えば、Ｗ成膜前のコンタクトホール底部下地表面に
酸化膜を形成することはないが、先にＡｌ配線上スルー
ホールのところで述べたように、選択性が低下するとい
った問題が生じてしまう。

【００１３】本発明の目的は、Ｗ選択ＣＶＤを代表とす
る選択ＣＶＤによる微細孔穴埋め法において、微細孔下
地を清浄化するための処理を行っても選択性が低下しな
い方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、Ｗの選択Ｃ
ＶＤによるスルーホールやコンタクトホールの穴埋め法
において、 １−（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） １−（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 １−（３） ＷＦ₆ガスと還元ガス（Ｈ₂，ＳｉＨ₄等の
シラン系ガスの単独或いは混合ガス）を用いたＷの選択
ＣＶＤによる微細孔への金属穴埋め処理 の３つの処理を順次行う、或いは先の２つを同時に行い
その後に３つめの処理を行う、即ち ２−（１） 基板上の絶縁膜表面の活性化を伴わない微
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−（２） ＷＦ₆ガスと還元ガス（Ｈ₂，ＳｉＨ₄等の
シラン系ガスの単独或いは混合ガス）を用いたＷの選択
ＣＶＤによる微細孔への金属穴埋め処理 の２つの処理を順次行う、或いは、微細孔下地材質と清
浄化処理に用いるハロゲンガスの種類の組合せによって
は、清浄化処理によって発生した下地を腐食させる物質
が基板に残留することがあるため、 ３−（１） 基板上の絶縁膜表面の活性化を伴わない微
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） ３−（２） 上記清浄化処理によって発生した微細孔底
部下地腐食成分の除去処理（腐食防止処理） ３−（３） ＷＦ₆ガスと還元ガス（Ｈ₂，ＳｉＨ₄等の
シラン系ガスの単独或いは混合ガス）を用いたＷの選択
ＣＶＤによる微細孔への金属穴埋め処理 の３つの処理を順次行うことにより達成される。

【００１５】上記の処理のうち１−（１）に関しては、
Ａｒ等の不活性ガスによるスパッタエッチング処理を用
いることができる。また、１−（２）の安定化処理につ
いては、Ｃｌ₂，ＢＣｌ₃，ＣＣｌ₄，Ｃ₂Ｃｌ₄，ＳｉＣ
ｌ₄，ＮＦ₃，ＳＦ₆，ＳｉＦ₄等のハロゲン系のケミカル
エッチング用ガスの単独或いはＡｒ等の不活性ガスとの
混合ガスのプラズマ処理によりＳｉリッチになり活性化
した絶縁膜表面の改質を行うことができる。

【００１６】また、１−（２）の安定化処理として、基
板をＮ₂（純ガス或いは微量のＯ₂を含むもの）雰囲気中
で加熱する処理も別の方法として用いることができる。

【００１７】さらに、上記１−（１）と１−（２）とを
同時に行う２−（１）に関しては、上記１−（２）の安
定化処理に用いるＣｌ₂，ＢＣｌ₃，ＣＣｌ₄，Ｃ₂Ｃ
ｌ₄，ＳｉＣｌ₄，ＮＦ₃，ＣＦ₄，ＣＨＦ₃，ＳＦ₆，Ｓｉ
Ｆ₄等のハロゲン系のケミカルエッチング用ガスの単独
或いはＡｒ等の不活性ガスとの混合ガスのプラズマ処理
により、絶縁膜表面の活性化を伴うことなく微細孔底部
の下地表面酸化膜の除去を行うことができる。この同時
に行う場合のエッチング量は、先の１−（２）の安定化
処理においては表面層の僅かな改質だけ行ったのに対
し、１−（１）のスパッタエッチング量に相当するエッ
チング量だけ必要となる。これが従来のように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
チングを行った場合には、先に述べたように元素のスパ
ッタ収率の違いにより、絶縁膜表層部がＳｉリッチとな
り活性化してしまうが、ハロゲンガスのプラズマでは、
例え部分的にＳｉリッチになっても、即座にハロゲンイ
オン或いはラジカルによりＳｉリッチな部分が除去さ
れ、最終的に絶縁膜表面が活性化することはない。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。但し、微細孔
底部の下地材質と清浄化処理に用いるハロゲンガスの種
類の組合せによっては、清浄化処理によって発生した下
地を腐食させる物質が基板に残留することがある。即
ち、微細孔底部の下地がＡｌ配線である場合には、塩素
系のハロゲンガス用いると、Ｗ成膜後に基板を大気中に
取り出した際、大気中に含まれる水分と反応してＡｌ配
線を腐食するようなＡｌＣｌ₃等の物質が残留すること
になる。従って、この場合には、清浄化処理後に防食処
理として、残留した塩素の除去処理が必要となる。ま
た、同じハロゲン系ガスであっても、Ｗを形成する前の
微細孔底部の露出表面に残留物を残さないように考慮す
ると、塩素系ではＣｌ₂或いはＢＣｌ₃、フッ素系ではＮ
Ｆ₃を用いることが好ましい。

【００１８】また、防食処理としての微細孔底部下地腐
食成分の除去処理は、基板に残留した腐食物質をプラズ
マのイオン或いはラジカルでたたき出す、或いは下地表
面に薄い保護膜を形成するためにＯ₂プラズマ処理或い
はフッ素プラズマ処理を行う。もしくは、基板加熱を行
うことにより残留した腐食物質を揮発させる加熱処理を
行うことも防食処理として有効である。

【００１９】更に、１−（３），２−（２），３−
（３）のＷ選択ＣＶＤ処理については、選択ＣＶＤ用と
してセットアップされたＣＶＤ反応容器内でＷＦ₆とＨ₂
或いはＳｉＨ₄等の還元ガスの混合ガスを加熱した基板
上に流す１段ＣＶＤ法を用いること、或いは、ＷＦ₆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、ＷＦ₆と上記還元ガスを加熱した基板上に流す２段
ＣＶＤ法を用いること、またはＷＦ₆とＨ₂を流した後Ｗ
Ｆ₆と他の還元ガスを流す２段以上のＣＶＤ法等を用い
ることによって達成される。還元ガスとしてはＨ₂，Ｓ
ｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆，ＢＨ₃，ＰＨ₃等を単独或いは組み合
わせて用いることができる。

【００２０】本発明で用いるケミカルエッチングガスの
プラズマ処理装置では、通常行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、ウエハ上に金属汚染物が付着するとその
後のＷ−ＣＶＤにおいて、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、高周波をブロッキングキャパシタを
介して電極に印加するとき、基板が負に帯電するいわゆ
るカソードカップリング方式とし、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おおうような構
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。

【００２１】上記した微細孔底部下地の清浄化処理は、
下地表面に存在する酸化膜やエッチングプロセス、レジ
スト除去プロセス等の微細孔形成のための前駆プロセス
において残存した有機物残渣をスパッタエッチングとい
う物理的処理によって取り除き、下地を清浄化して微細
孔底部におけるコンタクト抵抗を下げる作用を有する。
また、絶縁膜層の安定化処理は、上記処理によって生じ
た絶縁膜表層部のＳｉ遊離基準等の活性化した部分を、
ハロゲン系ガスのプラズマ処理によって優先的に取り除
くことにより、後続の選択ＣＶＤにおいて絶縁膜上にＷ
が形成することを防ぐ作用を有する。

【００２２】上記、清浄化作用及び絶縁膜表面の安定化
作用を以下の実験データにより確認した。表１に示した
サンプルを作成し、Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡまたはＸ
ＰＳ）装置によりＡｒスパッタエッチングによるＳｉＯ
₂表面活性化及びＣｌ₂プラズマによる表面安定化作用を
調べた。先ず、表面におけるＳｉとＯの含有比（Ｏ／Ｓ
ｉ）を求めた。これを表２示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】なお、これらの値は全て２．０以上（即ち
ＳｉＯ₂よりも表面がＯリッチ）となっているが、これ
は、分析前にサンプルを大気にさらしたために吸着した
Ｏ₂を含んでいるためである。表２からわかるように、
ＡｒスパッタにおいてはＯの方がＳｉよりもスパッタ効
率が高く、Ａｒスパッタエッチング処理サンプル（＃
２）は結果的に表面が無処理サンプル（＃１）に比べＳ
ｉリッチになっている。これに対し、Ｃｌ₂プラズマ処
理ではＣｌ＋（あるいはＣｌ原子等のラジカル）が先ず
Ｓｉをアタックすると推定され、Ｃｌ₂プラズマ処理サ
ンプル（＃３）では結果的に表面が無処理サンプル以上
にＯリッチになっている。さらにより詳しく検証するた
め、ＳｉＯ₂表面におけるＸ線入射角が３０°及び９０
°のときのＳｉ２ｐピークのスペクトルを求めた。これ
を図１３から図１５に示す。Ｘ線の入射角が浅いほど、
より表面層に近い情報を示しており、また、安定なＳｉ
−Ｏ結合が切断され未結合ＳｉやＳｉ−Ｓｉ結合が生ず
ると低エネルギー側にケミカルシフトする。無処理のＳ
ｉＯ₂表面では３０°と９０°においてピークが全く一
致しているのに対し、Ａｒスパッタではより表層部であ
る３０°のピークにおいて低エネルギー側にシフトしブ
ロードになっている。一方、Ｃｌ₂プラズマ処理を追加
したものでは無処理と同様に殆んど変化がないことか
ら、Ａｒスパッタによって生じた未結合ＳｉやＳｉ−Ｓ
ｉ結合を取り除いたと推定される。より表層部である３
０°のピークを上記のサンプルで比較したものを図１６
に示す。これよりＣｌ₂プラズマ処理により安定化処理
作用が働いていることが分かる。詳細に見るとＣｌ₂プ
ラズマでのピークは無処理のものよりも若干シフトして
いるが、これはＯ／Ｓｉ含有比のデータを考慮すると、
逆に未結合Ｏ或いはＯ−Ｏ結合が生じているためにケミ
カルシフトしたと予測される。

【００２６】更に、本発明における前処理がＡｌ表面に
与える影響を調べるため、ＥＳＣＡによるＷ／Ａｌ界面
における深さ方向プロファイルも求めた。表１に示した
サンプルに対し得た深さ方向プロファイル図１７、図１
８に示す。界面のハロゲン（Ｆ及びＣｌ）を感度良く調
べるため、Ｗの成膜温度を実際のプロセスで行う温度
（４５０℃）よりも低く（３７０℃）して成膜したが、
Ｃｌ₂プラズマ処理を行ってもＷ／Ａｌ界面に残留する
Ｃｌは検出感度以下であった。

【００２７】また、Ｗ／Ａｌ界面に残留するＯはＡｒス
パッタエッチングにより低減していることが確認され
た。以上Ｃｌ₂プラズマによってＳｉＯ₂表面の安定化作
用を示したが、ＮＦ₃プラズマを用いても全く同様にＳ
ｉＯ₂表面の安定化効果が得られた。また、Ｎ₂雰囲気中
での基板加熱においてもＳｉＯ₂表面の安定化作用がＥ
ＳＣＡで確認されたが、Ｎ₂により未結合Ｓｉ或いはＳ
ｉ−Ｓｉ結合を取り除くことは考え難く、Ｓｉ−Ｎ結合
が検出されなかったことから、Ｎ₂中に含まれる極微量
のＯ₂がＳｉ或いはＳｉ−Ｓｉ結合を酸化した、もしく
はＳｉ−Ｎ結合に変化しても検出感度以下であったため
かと予想される。用いたＮ₂ガスは５Ｎ以上のものを使
用したが、配管からのリークがあった可能性もあるた
め、いずれかは判断できない。

【００２８】以上、清浄化処理と安定化処理を順次行う
方法における作用効果を述べたが、ハロゲン系ガスプラ
ズマ単独でも物理的なスパッタエッチング効果も有する
ため、安定化処理と清浄化処理を同時に行うことも可能
である。この際、Ａｒ等の不活性ガスを混合させること
により物理的なエッチングの効果（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等によりエネルギー移動が行
われ、化学的なエッ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、上記清浄化作用を以下の実験データにより確認し
た。Ｓｉウエハに電子ビーム蒸着法によりＡｌ₂Ｏ₃（ア
ルミナ）膜を形成したサンプルを用い、Ａｌ₂Ｏ₃の初期
膜厚及び各種ガスのプラズマ処理を行った後の膜厚をエ
リプソメータにより測定し、各種ガスプラズマにおける
エッチングレートを調べた。実験データを図１２に示
す。

【００２９】Ａｒガス単独のプラズマであるＡｒスパッ
タエッチングと、これに少量のＮＦ₃ガス或いはＣｌ₂，
ＢＣｌ₃ガスを添加した混合プラズマと比較すると、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
ッ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、ＮＦ₃を添加したＡｒ／ＮＦ₃混合プラズマ及びＢ
Ｃｌ₃を添加したＡｒ／ＢＣｌ₃混合プラズマでは、Ａｒ
スパッタエッチングの約６倍とエッチングレートが大き
くなり、化学的な効果（ケミカルエッチング）が支配的
に作用していることがわかる。

【００３０】また、微細孔底部下地材質がＡｌ配線（微
量のＳｉやＣｕ等を含む場合もある）であり、清浄化処
理に塩素系のハロゲンガスを用いると、Ｗ成膜後に基板
を大気中に取り出した際、大気中に含まれる水分と反応
してＡｌ配線を腐食するようなＡｌＣｌ₃等の物質が残
留することになるが、微細孔底部下地腐食成分の除去処
理（腐食防止処理）は、上記腐食物質を基板を大気中に
取り出す前に取り除き、基板を大気中に取り出しても腐
食が起こらないようにする作用を有する。微細孔底部下
地の腐食は、断線等を引き越こし、製品の信頼性を著し
く低下させることになるため、腐食を防止することは極
めて重要となる。

【００３１】これらの前処理を行った後、ＷＦ₆とＨ₂或
いはＳｉＨ₄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
孔底部下地上のみに下地との反応或いは還元ガスとの反
応によりＷが成長する。即ち、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を有する。な
お、本発明で用いる微細孔下地とは、Ａｌ或いはＡｌを
主成分とする配線層、ノンドープ及びドーピングされた
Ｓｉ層、ＭｏＳｉ₂，ＷＳｉ₂，ＴｉＳｉ₂，ＰｔＳｉ或
いはＴｉＷ等バリア層で、ＷＦ₆が直接反応する或いは
その下地上で還元ガスが吸着解離してＷＦ₆を還元させ
るような下地全てを指している。また、絶縁膜とは、熱
酸化膜、熱窒化膜、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、プラズマ酸化
膜、プラズマ窒化膜等の無機絶縁膜、或いはＳＯＧ、Ｐ
ＩＱ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。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
５つの場合に分け図面を用いて説明する。先ず、本発明
のスルーホールへのＷ選択埋め込み方法のうち、前処理
としてＡｒスパッタエッチングを行った後、ハロゲン系
ガスのプラズマによる絶縁膜表面の安定化処理を行った
ものを（実施例１−１〜１−６）に示す。次に、スパッ
タエッチング後の絶縁膜表面の安定化処理を大気圧Ｎ₂
（純ガス或いは微量のＯ₂を含むもの）中での熱処理に
よって行ったものを（実施例２）に示す。次に、前処理
としてＡｒとハロゲン系ガスの混合ガスのプラズマエッ
チング処理を行ったうち、フッ素系のハロゲンガスを用
いたものを（実施例３）に、塩素系のハロゲンガスを用
い防食処理を行ったものを（実施例４−１，４−２）に
示す。最後に、コンタクトホールへのＷ選択埋め込み方
法として、前処理にＡｒとハロゲン系ガスの混合ガスの
プラズマエッチング処理を行ったものを（実施例５）に
示す。

【００３３】（実施例１−１）図１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前処理としてＡ
ｒスパッタエッチングを行った後、Ｃｌ₂のプラズマに
よる絶縁膜表面の安定化処理を行ったもののプロセスフ
ローを示すものである。図８は、本発明に用いた穴埋め
の選択ＣＶＤ装置を示している。図８を参照しながら図
１により実施例を説明する。

【００３４】図８のロードロック室１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。１０~⁵Ｔｏｒ
ｒ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からの水分
焼き出しによるロードロック室１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は予め１０~⁷Ｔｏｒｒ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く。
また、スパッタエッ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１０~⁵Ｔｏｒｒ．
ｌ／ｓｅｃ以下に抑えておく必要があるが、この値は少
なければ少ない程好ましい。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
電位の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内壁を極力スパ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。次いで、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、放電させＡ
ｒプラズマを発生させる。所定時間の間放電させた後、
一旦高周波の印加を停止した後Ｃｌ₂ガスを導入し、再
び放電させＣｌ₂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、Ｃｌ₂ガスの導入及び高周波
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１０~⁷Ｔｏｒｒ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１０~⁵Ｔｏ
ｒｒ以下に真空排気してある成膜室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
裏面側に導入し、成膜室２内の圧力が徐々に上昇し始め
るのと同時にゲートバルブ４を閉じ、Ｈ₂ガスを成膜室
２に導入する。成膜室２において、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
け所定温度まで加熱される。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裏面の間に設置され
た熱電対７及びフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）窓１５を
通して基板９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
内壁は水冷し、基板９面を除く成膜室２内壁の温度は基
板９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）下げてある。基板９が所定
温度まで加熱された後、Ｈ₂を加えＷＦ₆を導入し、Ｗを
選択成長させる。所定膜厚まで成長させた後、Ｈ₂，Ｗ
Ｆ₆の導入を停止するとともに、基板加熱用ハロゲンラ
ンプ６を消灯させ真空排気する。ゲートバルブ４を開け
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、Ｎ₂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。

【００３５】上記プロセスにおける処理条件の１例を、
他の実施例とともに表３の（実施例１−１）の欄に示
す。

【００３６】

【表３】

【００３７】なお、基板としては、下地Ａｌ配線２２上
にプラズマＣＶＤ等により、Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ₂
膜２３を形成した後、ホトエッチングにより１μｍ角の
微細孔（深さ１．２μｍ）を多数個開口させたテスト用
基板を用いた。図９（ａ）に図１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。図９
（ａ）において、２１はＳｉ基板、２２は下地Ａｌ配
線、２３はプラズマＳｉＯ₂膜、２４は開口部のＡｌ配
線上の表面酸化膜である。図９（ｂ）にＡｒスパッタエ
ッチング処理を行った後のスルーホール断面図を示す。
図９（ｂ）においては、図９（ａ）に見られるＡｌ表面
酸化膜２４は取り除かれ、スルーホール側壁にＡｒによ
ってホール底部からのリスパッタして付着した薄いＡｌ
膜２５が見られる。また、前述したように、ＳｉＯ₂表
面にはＡｒスパッタにより活性化したＳｉ遊離基或いは
Ｓｉ−Ｓｉ結合を含むＳｉリッチな表層部２６が存在す
る。

【００３８】図９（ｃ）にＣｌ₂プラズマ処理を行った
後のスルーホール断面図を示す。図９（ｃ）において
は、図９（ｂ）に見られるＳｉＯ₂表面の活性層２６は
取り除かれている。図９（ｄ）にＷ埋め込み後のスルー
ホール断面図を示す。図９（ｄ）においては、Ａｌ配線
２２上に直接Ｗ膜２７が成長し、スルーホールが埋め込
まれている。この時、Ｗ膜はホール底部と側壁部と同時
にＡｌを核に成長するため、０１μｍ口径のスルーホー
ルに対し、約０．５μｍのＷ成長膜厚で埋め込みが完了
している。

【００３９】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、選択性及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、後述す
る他の実施例及び比較例の結果と合わせ表４に示す。

【００４０】

【表４】

【００４１】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２０００倍にして暗視野に
おいて観察し、ある領域における絶縁膜（ＳｉＯ₂）上
に形成されたＷ粒の個数をカウントして単位面積当り
（ここでは１cm²）の個数として換算した。用いたテス
ト用基板には約２００万個／cm²の密度でスルーホール
が開いており、大体の目安として例えばＳｉＯ₂上のＷ
粒が１００個／cm²の場合には、平均的にはスルーホー
ルが２万個存在する領域のＳｉＯ₂上に１個存在してい
るという具合である。選択性の良否を上記の観点から、
二重丸（５０個／cm²）〜××（全面成膜）に分類した
が、この実施例においては極めて良好であった。また、
導通評価については、上記テスト用基板がＷ穴埋め後に
上層Ａｌ配線を形成すると、４０００〜２０万個連続ス
ルーホールチェーンの直列抵抗が測定されるようになっ
ており、Ａｌ配線抵抗分をスルーホールの数で割ったも
のをＷ／Ａｌ界面部におけるコンタクト抵抗とした。本
実施例においては、０．１０〜０．１５Ω／μｍ□とＡ
ｌ／Ａｌ界面部のコンタクト抵抗の約２〜３倍と極めて
良好な値を示した。この値は、４７５℃，９０分の熱処
理後においても殆ど変動がなかった。

【００４２】（実施例１−２）（実施例１−１）と同一
の装置、基板を用い、スパッタエッチ、Ｃｌ₂プラズマ
連続処理を行った後、一旦大気中に基板を取り出し、再
びＷの成膜処理以降を（実施例１−１）と同じ条件で行
った（表３の実施例１−２参照）。本実施例は、高真空
中（１０~⁵Ｔｏｒｒ以下）での搬送による連続処理を行
った場合と行わない場合を比較するために行った。表４
の実施例１−２に示したように選択性に関しては、（実
施例１−１）と全く同程度で極めて良好であったが、導
通評価において、Ｗ／Ａｌ界面部のコンタクト抵抗が
（実施例１−１）と比較して約３倍程度高くなった。ま
た、１μｍの埋め込みに要する成膜時間が（実施例１−
１）に比べてやや長く必要とした。これは、一旦大気中
に基板を出したときに、スルーホール底部に露出したＡ
ｌ表面に自然酸化膜が形成されたためと推定される。即
ち、界面抵抗が増大するのは界面残留Ｏの増加によるも
のであり、成膜時間を長く必要とするのは、Ｗ成膜初期
での核形成時間が長いためと考えられる。この結果によ
り導通特性の観点からは実施例１−１のような連続処理
の方が好ましいが、ＭＯＳ系のＬＳＩのように、導通抵
抗の要求仕様がバイポーラＬＳＩほど厳しくないものに
ついては、本実施例のように、前処理と選択ＣＶＤを不
連続に行っても本発明の前処理方法が選択性向上につい
て十分効果があることはいうまでもない。

【００４３】次に（実施例１−１）及び（実施例１−
２）の効果をより詳細に確認するため、以下に３つの比
較例を示す。

【００４４】（比較例１−１）（実施例１−１）と同一
の装置、基板を用い、ロードロック室１で真空排気、加
熱した後、直接成膜室２に搬送し、無処理のままＷの成
膜処理以降を（実施例１−１）と同じ条件で行った（表
３参照）。これは、Ａｒスパッタ前処理の効果を確認す
るために行った。選択性に関しては、（実施例１−１）
よりも若干低下し、コンタクト抵抗に関しては（実施例
１−１）に比較して約２桁以上高い値となった。また、
１μｍの埋め込みに要する成膜時間も２倍以上長くかか
った（表４参照）。本比較例の方が（実施例１−１）よ
り選択性が若干悪い理由として、スルーホール形成（ホ
トエッチング、レジスト除去工程等）時に絶縁膜上を金
属汚染したものが僅かながら残留していること、或い
は、絶縁膜（プラズマＳｉＯ₂）成膜時に既にＳｉ遊離
基或いはＳｉ−Ｓｉ結合をＳｉＯ₂表面に僅かながら形
成していることが考えられる。いずれにしても、用いた
テスト用基板表面に元々そのような活性部分が存在して
いる場合でも、この活性部分に対しても上記Ｃｌ₂プラ
ズマによる安定化処理の効果があることが確認された。
コンタクト抵抗及び成膜時間については先にも述べたよ
うに、Ａｌ表面に存在する表面酸化膜に起因するものと
考えられる。但し、先に述べた公知例では、Ｗ成膜温度
を３８０℃以上にすると良好な導通（０．３〜０．７Ω
／μｍ□）が得られているのに対し、本比較例では４５
０℃でＷを成膜しているにもかかわらず極めて高いコン
タクト抵抗値を示したのは、本比較例（本実施例も同
じ）で用いたテスト用基板がＡｌ配線の腐食を抑えるた
めにスルーホール形成のエッチング工程の最後にＯ₂プ
ラズマによるＡｌ表面酸化膜形成工程が入っているため
であると考えられる。即ち、先の（実施例１−２）で示
したように、単なる大気中で形成されるＡｌ表面自然酸
化膜の場合には比較的良好な導通が得られるのに対し、
Ｏ₂プラズマによって形成されるＡｌ表面酸化膜は膜厚
も膜質も自然酸化膜と比較して強固に除去され難いもの
であると考えられる。

【００４５】（比較例１−２）（実施例１−１）と同一
の装置、基板を用い、Ｃｌ₂プラズマによる安定化処理
だけ行わずに他は（実施例１−１）と同じ条件で行った
（表３参照）。この比較例のプロセスフロー図を図７に
示す。これは、先の本発明の効果の部分でも述べたが、
Ａｒスパッタエッチ処理によって活性化したＳｉＯ₂表
面にＷ成膜を行った場合にどのような結果が得られるか
を確認するために行ったものである。予想通り、著しく
選択性が悪く成膜時間１分経過時で既に全面成膜となっ
てしまい、導通評価も行うことができなかった（表４参
照）。

【００４６】（比較例１−３）（実施例１−１）と同一
の装置、基板を用い、上記（比較例１−２）に対してス
パッタエッチ処理後、一旦大気中に基板を取り出し、再
びＷの成膜処理以降を（比較例１−２）と同じ条件で行
った（表３参照）。これは、大気中のＯ₂による酸化だ
けでもＳｉＯ₂表面の安定化作用が働くことが予想され
たためである。こ選択性及び導通評価結果を表４に示
す。選択性は（比較例１−２）に比べるとかなり良くは
なって全面成膜は起こらないが、実用的なレベルでの選
択性は得られない。また、コンタクト抵抗も一旦大気に
さらしてＡｌ表面に自然酸化膜を形成した分だけ（実施
例１−２）とほぼ同程度に（実施例１−１）よりも高く
なっている。

【００４７】次に、更にＣｌ₂プラズマ処理の条件を詰
めるために、以下にＣｌ₂プラズマ条件の異なる実施例
（実施例１−３〜１−６）を示す。

【００４８】（実施例１−３〜１−４）（実施例１−３
〜１−４）では表５に示すように夫々（実施例１−１）
のスパッタエッチ室３内背圧を１桁と２桁低下させて行
った。これは、人為的に大気をチャンバ内へリークさせ
て背圧を調整したが、大気中の水分（Ｈ₂Ｏ），酸素
（Ｏ₂）等がＣｌ₂プラズマに混入することによる影響を
確認するために行った。Ｃｌ₂プラズマ条件及び選択
性、導通評価、光学顕微鏡による外観評価等を表６に示
す。これらの結果から選択性に対しては全く影響は与え
ないものの、背圧を低下させるに従い、配線の一部に変
色部が発生しコンタクト抵抗も上昇するという結果が得
られた。

【００４９】

【表５】

【００５０】この理由を探るため、Ａｌベタ膜に（実施
例１−４）と同一条件でＣｌ₂プラズマ処理を行った後
Ｗを２００Å成膜したサンプル表面をＳＥＭで観察する
とともにＷ／Ａｌ界面部の元素分析をＥＳＣＡの深さ方
向プロファイルで調べた。

【００５１】その結果、Ａｌ表面に著しい凹凸（表面荒
れ）が生じ、また、図１９に示すようにＷ／Ａｌ界面に
Ｃｌは検出されなかったものの多量のＦが残留している
のが観測された。即ち、大気中のＨ₂ＯやＯ₂等のリーク
によりＣｌ₂プラズマに何らかの影響を与え、Ａｌ表面
に著しい荒れを生じさせ、Ｗ成膜中にＷ／Ａｌ界面から
Ｆを抜け難くさせて、Ｗ／Ａｌ界面部のコンタクト抵抗
を上昇させたものと考えられる。上記の結果から、Ｃｌ
₂プラズマ処理は十分な背圧下（１０~⁶Ｔｏｒｒ以下）
で行うことが好ましいことが示される。

【００５２】（実施例１−５〜１−６）（実施例１−
５）では表５に示すように（実施例１−１）のＣｌ₂プ
ラズマ条件において、ＲＦの投入パワーを１桁上げ、エ
ッチング量もそれに伴い２０倍以上増やし、また逆に、
（実施例１−６）では、ＲＦの投入パワーを２／５に下
げ、エッチング量も１Å以下とした。これらの実施例に
おける評価結果等を表６に示す。

【００５３】

【表６】

【００５４】上記、いずれの場合においても選択性に関
しては極めて良好な結果が得られた。驚くべきことに、
Ｃｌ₂プラズマによる安定化処理では、ＳｉＯ₂表面エッ
チング量にして１Å以下であっても十分な安定化効果が
得られたことである。一方、導通評価及びＳＥＭによる
断面観察評価において、（実施例１−５）のサンプルに
おいて、下地Ａｌ配線に膜ベリが観測され、コンタクト
抵抗も（実施例１−１）に対し２〜２０倍と増加した。
これは、Ｃｌ₂プラズマによるＳｉＯ₂のエッチング量が
７０Åであっても、Ａｌに対してはそれよりもかなり速
くなっていること、また、ＳＥＭでは確認できなかった
が、高いＲＦパワーのＣｌ₂プラズマによリ少なからず
Ａｌ表面にダメージ（表面荒れ等）があったものと推定
される。一方、ＲＦパワーを（実施例１−１）よりも下
げた（実施例１−６）ではコンタクト抵抗は（実施例１
−１）と同様非常に良好であった。

【００５５】（実施例２）図２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、絶縁膜表面の安定
化処理を大気圧のＮ₂雰囲気中で基板加熱処理によって
行ったもののプロセスフローを示す。（実施例１−１）
と同一の装置、基板を用いて行ったが、（実施例１−
１）と異なる点はスパッタエッチ室３においてＡｒスパ
ッタエッチング処理を行った後、成膜室２に搬送し成膜
室２において、大気圧のＮ₂雰囲気中で基板加熱処理を
行うことにより絶縁膜表面の安定化処理を行うことであ
る。（実施例２）で行った処理条件及び評価結果を表
３，４に示す。また（実施例２）におけるスルーホール
断面での埋め込み経過を示す拡大図は、（実施例１−
１）における図９と全く同様である。

【００５６】表４から分かるように、無処理の場合と同
等の選択性を確保して、かつ良好な導通特性（コンタク
ト抵抗）を示しており、本実施例においても、ホール内
表面の清浄化及び絶縁膜表面の安定化効果が発現してい
ることが明らかである。なお、本実施例では、３００
℃、２ｍｉｎのＮ₂処理を行ったが２００℃以上の温度
で選択性向上効果が見られた。また、Ａｒスパッタエッ
チング処理による絶縁膜表面の変質の程度が大きい場合
には、必要に応じ、処理温度を高くするか、或いは処理
時間を長くして処理することにより十分な効果を得るこ
とができる。

【００５７】（実施例３）図３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、前処理としてＮＦ
₃をＡｒに添加してプラズマエッチングすることによ
り、絶縁膜表面の活性化を伴わずにスルーホール底部の
Ａｌ配線上の酸化膜や汚れを除去する清浄化処理を行っ
たもののプロセスフローを示すものである。（実施例１
−１）と同一の装置、基板を用いて行ったが、（実施例
１−１）と異なる点は、スパッタエッチ室３においてＡ
ｒとＮＦ₃を同時に導入し、１回のプラズマ処理で前処
理を行うことである（表３参照）。（実施例３）で行っ
た処理条件及び評価結果を表４に示す。また（実施例
３）におけるスルーホール断面での埋め込み経過は（実
施例１−１）で示した図９とほぼ同様となった。ここで
（実施例１−１）と異なる点は、先に述べたように、図
１２に示されるＡｌ酸化膜（Ａｌ₂Ｏ₃）のエッチングレ
ートがＡｒガス単独とＮＦ₃を添加したもので大きく違
い、単なる物理的なスパッタではなく、化学的なエッチ
ング作用を用いていることである。このメカニズムは、
ＮＦ₃のプラズマ中に発生したラジカルがＡｌ₂Ｏ₃を直
接エッチングしている可能性もあるが、むしろ、Ａｌ₂
Ｏ₃が一旦ＡｌＦ₃に変化し（フッ素置換反応）、ＡｌＦ
₃の方がＡｌ₂Ｏ₃よりもスパッタされ易いため、結果的
にＮＦ₃を添加することにより、エッチングレートが増
大するとした方が自然である。但し、オーバーエッチン
グ時にスルーホール底部に露出するＡｌに対しては、Ｃ
ｌのようなエッチング作用がないため、図６（ｂ）にお
いて示した側壁へのＡｌ付着が生じ、Ｗによる埋め込み
時には（実施例１−１）と同様に図６（ｄ）のような埋
め込み形状となる。選択性、コンタクト抵抗のいずれに
おいても本実施例における結果は、（実施例１−１）の
結果と同等で極めて良好である（表４の実施例３参
照）。本実施例に示したように、Ａｒに添加するハロゲ
ンガスとしてフッ素系ガスを用いた場合には、次の（実
施例４）で示す塩素系ガスにおけるＡｌの腐食は全く起
こらない。

【００５８】（実施例４−１）（実施例１−１）と同一
の装置、基板を用い、Ａｒ／Ｃｌ₂混合プラズマ、Ｏ₂プ
ラズマの連続処理を行った後、Ｗの成膜処理以降を（実
施例１−１）と同じ条件で行った（表１の実施例４−１
参照）。本実施例はプラズマエッチングガスとしてフッ
素系ガス（ＮＦ₃）の代わりに塩素系ガス（Ｃｌ₂）を用
いた場合の一例として行った。図４に（実施例４−１）
を行ったプロセスフローを示す。また、（実施例４−
１）におけるスルーホール断面での埋め込み経過を表す
拡大図を図１０に示す。ここで（実施例１−１）と異な
る点は、Ａｌ表面清浄化処理において単なる物理的なス
パッタではなく、化学的なエッチング作用を用いている
ため、図１０（ｂ）では図９（ｂ）において見られた側
壁にリスパッタしたＡｌ膜は観察されず、結果的にＷの
埋め込み形状も図１０（ｃ）に示されるようにスルーホ
ール底部からのみＷが成長した形状となる。この方法を
用いた場合、Ｗを穴埋めした後の平坦性は向上するが、
埋め込むべきスルーホールの深さだけＷの成長膜厚を必
要とするため、（実施例１−１）に比較して穴埋めに要
する時間が長くなる。また、本実施例で塩素系ガス（Ｃ
ｌ₂）を用いた場合には、（実施例３）でフッ素系ガス
（ＮＦ₃）を用いた場合と違って、清浄化処理を行った
ときにＡｌＣｌ₃等のＷ選択ＣＶＤを行い基板を大気中
に取り出した際にＡｌ配線を腐食させる物質が基板に残
留してしまう。従ってＷ選択ＣＶＤを行う前にＡｌＣｌ
₃等の腐食性物質を除去し、腐食防止処理を行う必要が
ある。（実施例４−１）ではＡｒ／Ｃｌ₂導入停止真空
排気後に、Ｏ₂を導入し、Ｏ₂プラズマ放電を起こし、基
板をＯ₂プラズマにさらすことにより腐食防止処理を行
った。表２の実施例２に示したように選択性に関して
は、（実施例１）と全く同程度で極めて良好であった
が、導通評価において、Ｗ／Ａｌ界面部のコンタクト抵
抗が（実施例１）と比較して約２倍程度高くなった。ま
た、１μｍの埋め込みに要する成膜時間が（実施例１）
に比べてやや長く必要とした。これは、Ｏ₂プラズマ処
理を行ったときに、スルーホール底部に露出したＡｌ表
面に酸化膜が形成されたためと推定される。即ち、界面
抵抗が増大するのは界面残留Ｏの増加によるものであ
り、成膜時間を長く必要とするのは、Ｗ成膜初期での核
形成時間が長いためと考えられる。しかし、一旦Ａｌ表
面に薄い酸化膜が形成されても導通評価結果からも推察
できるように、Ｗ成膜時の初期に以下の反応式により殆
どＷ／Ａｌ界面にＯを残留させることはないと考えられ
る。 Ａｌ₂Ｏ₃ ＋ ３ＷＦ₆ → ３ＷＯＦ₄↑ ＋ ２ＡｌＦ₃ （４） 上記反応式のＡｌＦ₃については、フッ素系ガスのプラ
ズマを用いたときにもＡｌ表面に形成される物質であ
り、導通評価結果から見ても特に問題になるとは考えら
れない。或いは、Ｗ成膜時の初期に還元ガスによりＦを
引き抜きＡｌ／Ｗ界面部に残留するＦを減少させている
可能性もある。

【００５９】（実施例４−２）（実施例４−１）とほぼ
同様のプロセスであるが、腐食防止処理として、Ｏ₂プ
ラズマ処理の代わりに基板をＣＶＤリアクタに搬送した
後加熱処理を行った（表１の実施例４−２参照）。本実
施例は、（実施例２）と同様にプラズマエッチングガス
として塩素系ガス（Ｃｌ₂）を用いたが、腐食防止処理
として異なる方法を用いた一例として行った。図５は
（実施例４−２）を行ったプロセスフローを示す。

【００６０】（実施例４−２）では、Ａｒ／Ｃｌ₂混合
プラズマを行った後、（実施例３）と同様にして基板を
成膜室２に搬送した後、Ｈ₂ガス中で４５０℃の加熱処
理を３分間行った。この加熱処理によって、腐食性物質
（ＡｌＣｌ₃）を揮発させることにより、Ｗ成膜後に基
板を大気中に取り出しても腐食が起こることがなくな
る。表２の（実施例４−２）に示したように、選択性に
関しては（実施例１−１）と全く同程度に極めて良好で
あった。また導通評価ではほぼ（実施例４−１）と同様
の結果が得られた。これは、加熱処理中にＡｌ表面配管
リーク或いは成膜室中の残留酸素によって酸化したため
と考えられる。

【００６１】図９に示したような（実施例１−１）〜
（実施例３）によるスルーホール側壁からのＷ成長のあ
るＷ埋め込み形状にするか、図１０に示すような本実施
例（４−１及び４−２）におけるスルーホール底部のみ
からのＷ成長によるＷ埋め込み形状にするか、いずれか
を選択するかは、埋め込むべきスルーホールのアスペク
ト比（ホール深さ／ホール径）の種類や、同一基板上に
どの程度深さの異なるホールが存在するかどうかによる
と考えられる。即ち、アスペクト比の小さなスルーホー
ルを（実施例１−１）の方法で埋め込んだ場合、他のア
スペクト比の大きな同じ深さのホールを既に埋め込んだ
後でも十分に埋め込んでいないという事態が生ずる。一
方、著しく深さの異なるスルーホールが同一基板上に存
在し、これらを（実施例４−１及び４−２）の方法で埋
め込んだ場合、浅いホールは既に埋め込んだ後でも深い
ホールは十分に埋め込んでいないという事態も生じてし
まう。従って、スルーホールの種類によってこれらの方
法を使い分ければ良い。

【００６２】また、スループットを向上させるためにＷ
成膜の初期には、Ｗ／Ａｌ界面部のコンタクト抵抗の低
い３８０℃以上でのＨ₂還元を行い、薄いＷ膜がスルー
ホール底部全面に形成された後、導入ガスを代え基板温
度を下げて（２５０〜３２０℃）、成膜速度の速いＳｉ
Ｈ₄系の還元ガスによるＷ成膜処理を行うことも可能で
ある。或いは、ＭＯＳ系のＬＳＩのように、それほどコ
ンタクト抵抗の要求仕様の厳しくない場合には、Ｗ成膜
処理の初期から成膜温度の低いＳｉＨ₄系の還元ガスに
よるＷ成膜を行うことも可能である。

【００６３】更に、本実施例ではホール下地の清浄化を
行うため、エッチング量を２５０Åとしたが、１０Å以
下のエッチング量でも選択性は無処理の場合より向上す
る。即ち、下地の清浄化処理とは切り離してＣｌ₂プラ
ズマ処理による絶縁膜表面の安定化処理を単独で選択Ｃ
ＶＤの前処理に用いることで、選択性の向上効果がある
ことは、既に述べた結果より明らかである。

【００６４】（実施例５）図６は、本発明におけるコン
タクトホールへのＷ埋め込み方法において、ＡｒとＮＦ
₃の混合ガスのプラズマにより、ドープされたＳｉ，ポ
リＳｉ，各種シリサイド等の異なる下地が混在するホー
ル底部の表面清浄化処理と絶縁膜表面の安定化処理を同
時に行ったもののプロセスフローを示す。

【００６５】（実施例１−１）と同一の装置を用いて行
ったが、（実施例１−１）と異なる点は、先ずテスト用
基板の下地が異なり、プラズマ処理に用いるガスをＣｌ
₂からＮＦ₃に代えたことである。また、Ｈ₂還元Ｗ−Ｃ
ＶＤにおけるＳｉコンタクト特有のエンクローチメント
やワームホールといった問題を避けるため還元ガスにＳ
ｉＨ₄を用いた。

【００６６】なお、このエンクローチメントやワームホ
ールといった現象については、前記したＥＣＳ日本支部
第１回シンポジウム（１９８８年）「超ＬＳＩＣＶＤ技
術」予稿集，第４８頁から第６５頁に述べられている。
（実施例５）で行った処理条件及び評価結果を表３，４
に示す。また、（実施例４）におけるコンタクトホール
断面での埋め込み経過を示す拡大図をドープされたＳｉ
下地を一例として図１１に示す。図１１（ａ）におい
て、２８は下地Ｓｉ（ｎ⁺−Ｓｉ及びｐ⁺−Ｓｉ）、２９
はＢＰＳＧ、３０は開口部Ｓｉの表面自然酸化膜であ
る。図１１（ａ）は図６の処理をする前の状態である
が、コンタクトホール底部表面酸化膜は予め希フッ酸溶
液（ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：９９）によるウエットエッチン
グで一度除去してある。従って、スルーホール底部にあ
る酸化膜は、ウエットエッチング、水洗後の乾燥からロ
ードロック室に設置するまでの間に形成される自然酸化
膜だけである。図１１（ｂ）はＡｒとＮＦ₃の混合ガス
のプラズマ処理を行った後の状態であるが、（実施例
３）と同様、絶縁膜表面は安定化した状態を保ち、図９
（ｂ）（実施例１−１）に見られた側壁にリスパッタし
た下地材質の付着した膜（ここではＳｉ膜）は観察され
ず、結果的にＷの埋め込み形状も図１１（ｃ）に示され
るようにコンタクトホール底部からのみＷが成長した形
状となる。本実施例におけるＷＣＶＤの還元ガスには、
ＳｉＨ₄を用いたが、Ｗ／Ｓｉ界面における接着性が悪
いという課題を解決するために、Ｗ成膜の初期には接着
性の良いＨ₂還元を用い、薄いＷ膜がコンタクトホール
底部全面に形成された後、導入ガスを代え、成膜速度の
速いＳｉＨ₄系の還元ガスによるＷ成膜処理を行うこと
も可能である。この方法におけるＨ₂還元では、成膜温
度をＳｉＨ₄還元と同じ２５０〜２７０℃程度にすれ
ば、先に述べたエンクローチメントやトンネリングとい
った問題を生ずることはない。Ｗ１μｍ埋め込み後の選
択性は、（実施例１−１）と同様、極めて良好である。
これは、ＳｉＯ₂表面の安定化効果が特にハロゲン系ガ
スの種類に左右されるものではなく、ケミカルエッチン
グ作用のあるものであれば十分効果があることを意味し
ている。但し、下地との反応性を考慮すると、コンタク
トホール埋め込みにおいてはＮＦ₃が特に好ましいと考
えられる。また、このＷ埋め込みによって形成されたＷ
／Ｓｉ（ｎ⁺），Ｗ／Ｓｉ（ｐ⁺），Ｗ／ＷＳｉ₂，Ｗ／
ｐｏｌｙ−Ｓｉ界面部のコンタクト抵抗も極めて良好な
値を示した。（ｎ⁺はＡｓ⁺を７０ＫｅＶのイオン打ち込
みで５×１０⁵／cm²ドープしたもの、ｐ⁺はＢＦ₂ ⁺を６
０ＫｅＶで１．５×１０⁶／cm²ドープしたものであ
る。）更に、従来の課題で述べたような同一基板上に下
地の異なるコンタクトホールが混在した場合に、Ｗの埋
め込み膜厚が均一にならないという問題に対しても、本
実施例においては、下地表面酸化膜のない状態に連続し
てＷを成膜したため、均一なＷの埋め込み膜厚が得ら
れ、本発明の有効性が確認された。

【００６７】上記、いくつかの本発明における実施例を
述べたが、本発明は、上記実施例で示した装置、条件に
のみ制約されることなく、Ｗの選択成膜が可能なコール
ドウオール型ＣＶＤ成膜室と、金属汚染のないＡｒスパ
ッタエッチング処理及びＮＦ₃，Ｃｌ₂，ＢＣｌ₃等のハ
ロゲン系ガスが導入できるスパッタエッチ室と両者間を
基板の真空搬送ができる搬送機構を有するＷ選択ＣＶＤ
装置全てが処理条件を選ぶことにより使用できる。本実
施例では、ハロゲン系ガスプラズマ処理を、スパッタエ
ッチング室で行ったが、他の金属汚染のない方法、例え
ばＥＣＲマイクロ波プラズマ法等半導体プロセスに適用
或いは適用検討されている方法を用いることができる。
また、本発明の実施例のうち、腐食防止処理として、Ｏ
₂プラズマ処理、或いは加熱処理を示したが、単に腐食
性物質を除去すれば良いのであって、例えば拡散炉を用
いて大気圧Ｎ₂中高温放置等半導体プロセスに適用或い
は適用検討されている方法を用いることができる。更
に、対象とする選択ＣＶＤの系及び金属も上記実施例の
ＷＦ₆−Ｈ₂系或いはＷＦ₆−ＳｉＨ₄系によるＷの選択Ｃ
ＶＤに限ることなく、選択ＣＶＤを可能とするシステ
ム、例えばＭｏＦ₆−Ｈ₂系、ＭｏＦ₆−ＳｉＨ₄系による
Ｍｏの選択ＣＶＤ、アルキルＡｌを原料とするＡｌの選
択ＣＶＤにも本発明が適用できることは言うまでもな
い。

【００６８】

【発明の効果】以上述べてきたように、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、本発明
の方法、即ち、選択ＣＶＤを施す前に当該下地につい
て、予めＡｒスパッタエッチング下地クリーニング処理
及びそこで活性化した絶縁膜表面の安定化処理を順次或
いは同時に施し、また場合によっては、下地の防食処理
を施し、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
地金属と穴埋め金属間の界面抵抗の低い穴埋めを行うこ
とができる。このことにより、微細接続孔の穴埋めが必
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】

【図１】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図２】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図３】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図４】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図５】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図６】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図７】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込むときの選択ＣＶＤにおけるプ
ロセスフロー図である。

【図８】本発明の実施例で用いたＣＶＤ装置の構成図で
ある。

【図９】本発明の方法によりスルーホールまたはコンタ
クトホールをＷで埋め込む過程を示す部分拡大図であ
る。

【図１０】本発明の方法によりスルーホールまたはコン
タクトホールをＷで埋め込む過程を示す部分拡大図であ
る。

【図１１】本発明の方法によりスルーホールまたはコン
タクトホールをＷで埋め込む過程を示す部分拡大図であ
る。

【図１２】Ａｒスパッタエッチング、Ａｒ／ＮＦ₃混合
プラズマ、Ａｒ／Ｃｌ₂混合プラズマ及びＡｒ／ＢＣｌ₃
混合プラズマによるＡｌ酸化膜（Ａｌ₂Ｏ₃膜）のエッチ
ングレートをプラズマへの投入パワーに対しプロットし
た特性図である。

【図１３】無処理のＳｉＯ₂表面をＥＳＣＡで分析した
ときのＳｉ２ｐピークのスペクトル図である。

【図１４】Ａｒスパッタエッチング処理後のＳｉＯ₂表
面をＥＳＣＡで分析したときのＳｉ２ｐピークのスペク
トル図である。

【図１５】Ａｒスパッタエッチング処理＋Ｃｌ₂プラズ
マ処理後のＳｉＯ₂表面をＥＳＣＡで分析したときのＳ
ｉ２ｐピークのスペクトル図である。

【図１６】図１３乃至図１５の例のＳｉＯ₂表面のＸ線
入射角３０°におけるＥＳＣＡ２ｐピークのスペクトル
図である。

【図１７】無処理のＡｌ表面にＷを成膜したときのＥＳ
ＣＡによる深さ方向プロファイル図である。

【図１８】Ａｒスパッタエッチング処理後Ｃｌ₂プラズ
マ処理したＡｌ表面にＷを成膜したときのＥＳＣＡによ
る深さ方向プロファイル図である。

【図１９】Ａｒスパッタエッチング処理後Ｃｌ₂プラズ
マ処理したＡｌ表面にＷを成膜したときのＥＳＣＡによ
る深さ方向プロファイル図である。

【符号の説明】

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…ＷＦ₆，Ｈ₂，ＳｉＨ₄，Ｎ₂ガス導入管、 １２…Ａｒ，Ｃｌ₂，ＢＣｌ₃，ＮＦ₃，Ｏ₂ガス導入管、 １３…高周波電源、 １４…石英窓、 ２１…Ｓｉ、 ２２…Ａｌ配線、 ２３…プラズマ酸化膜、 ２４…Ａｌ表面酸化膜、 ２５…リスパッタしたＡｌ、 ２６…ＳｉＯ₂表面活性層、 ２７…Ｗ、 ２８…ドーピしたＳｉ、 ２９…ＢＰＳＧ、 ３０…Ｓｉ表面酸化膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｎ 21/768 21/90 Ａ (72)発明者 小林 秀 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 笠原 修 東京都小平市上水本町1450番地株式会社日 立製作所デバイス開発センター内 (72)発明者 田丸 剛 東京都小平市上水本町1450番地株式会社日 立製作所デバイス開発センター内 (72)発明者 根津 広樹 東京都小平市上水本町1450番地株式会社日 立製作所デバイス開発センター内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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で穴埋めする方法におい
   て、微細孔底部下地表面を清浄化処理する工程と、該清
   浄化処理工程によって活性化した絶縁膜表層部を安定化
   処理する工程と、その後金属の選択ＣＶＤを行う工程を
   有してなる微細孔への金属穴埋め方法。