(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性点が表面に露出した絶縁性物質と、前記活性点が前記絶縁性物質よりも多数表面に露出した導電性物質とが表面に露出された基板を真空槽内に配置し、
前記基板を所定温度に加熱して前記真空槽内に原料ガスを導入し、前記導電性物質表面に選択的に配線材料を析出させる選択ＣＶＤ方法であって、
前記原料ガスを導入する際、前記活性点に吸着して前記活性点を不活性化する添加物ガスを導入することを特徴とする選択ＣＶＤ方法。
【請求項２】
前記添加物ガスは、その原料である液体中にキャリアガスを吹き込んで発生させることを特徴とする請求項１記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項３】
前記液体を一定温度に加熱することを特徴とする請求項２記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項４】
前記添加物ガスは、ＯＨ基を有する化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項５】
前記添加物ガスは、珪素を有する化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項６】
前記添加物ガスは、キャリアガス中に含まれる気化した水、エタノール、シロキサン、又はトリエチルシラノールである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項７】
前記添加物ガスは二種以上が混合されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項８】
前記添加物ガスは、前記原料ガスの流量の１／１００００〜１／１００の範囲にされたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【請求項９】
前記絶縁性物質で構成された絶縁性薄膜を有し、 前記導電性物質は、前記絶縁性薄膜に形成された溝底面に露出され、前記導電性物質表面に配線材料を析出させる請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の絶縁性物質薄膜に形成された微細な溝や穴内に配線材料を選択的に析出させ、配線を形成する選択ＣＶＤ方法、及びＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タングステン(Ｗ)やモリブデン(Ｍｏ)等の高融点金属は、アルミニウム(Ａｌ)に比べるとエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が高いことから、近年では、シリコンウェハー等の基板内に形成された素子間を電気的に接続し、集積回路を構成するための配線材料として使用されている。
【０００３】
そのような配線材料の薄膜を形成する場合には、予め、基板上の絶縁性物質薄膜に、配線用の溝や穴を形成しておき、基板表面にグルー層を全面成膜した後ＣＶＤ装置内に搬入し、高温に加熱した状態で配線材料の原料ガスを導入し、グルー層表面に配線材料を析出させる。基板をＣＶＤ装置内から搬出した後、溝や穴以外の部分に析出した配線材料を除去するため、ＲＩＥ装置等を使用してエッチバックを行い、配線を形成している。
【０００４】
このように、配線材料薄膜を基板表面に全面成膜するＣＶＤ方法は、ブランケットＣＶＤ方法と呼ばれており、一般的に、グルー層には窒化チタン薄膜が用いられ、配線材料がタングステン薄膜である場合には、原料ガスには例えば六フッ化タングステンガスと水素ガス(還元性ガス)が用いられている。
【０００５】
しかしながらブランケットＣＶＤ方法では、工程数が多いという欠点があり、グルー層の全面成膜を行う工程と、配線材料薄膜のエッチバックを行う工程とを省略したいという要求がある。
【０００６】
それに対して、図５(ａ)に示すように、シリコン単結晶１０４上に絶縁性物質薄膜１０２が成膜された基板１０１を用い、その表面に配線を形成する際、絶縁性物質薄膜１０２の溝または穴１０３の底部に下層に存する導電性物質薄膜やシリコン単結晶１０４の表面を露出させ、ＣＶＤ装置内で基板１０１を比較的低温にした状態で、配線材料の原料ガスを導入し、図５(ｂ)に示すように、溝または穴１０３底部にだけ配線材料薄膜１０５を選択的に析出させ、溝または穴１０３を配線材料で埋め込む選択ＣＶＤ方法が実施されてきた。この選択ＣＶＤ方法によれば、グルー層の形成やエッチバックが不要なことから、低コスト、高歩留まりのプロセス技術として実用化されている。
【０００７】
しかし、このような選択性は、溝や穴底部に露出する導電性物質表面における配線材料の析出速度と、絶縁性物質表面における析出速度の相違によって得られており、絶縁性物質薄膜１０２の表面に活性点が存在した場合には、その部分に配線材料が析出し、島状の析出物１０６が発生してしまう。
【０００８】
このように絶縁性物質表面に配線材料が析出する現象は、“選択性の破れ”と呼ばれており、特に、配線材料薄膜を厚く形成する場合に生じ易い。絶縁性物質表面に不要な配線材料薄膜が多数析出してしまった場合には、エッチバックを行うことが必要になり、選択ＣＶＤ方法の利点が失われてしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたもので、その目的は、選択性の破れの発生を防止できる選択ＣＶＤ方法、及びＣＶＤ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、上記課題を解決するため、選択ＣＶＤ方法の研究を行ったところ、真空槽内に配線材料の原料ガスを導入し、金属薄膜やシリコン基板等の導電性物質表面に配線材料薄膜を選択的に成長させる際、原料ガスと共に絶縁性物質表面に吸着しやすい添加物ガスを導入すると、選択性の破れを抑制できることを見出した。
【００１１】
本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、その請求項１に記載され
た発明は、活性点が表面に露出した絶縁性物質と、前記活性点が前記絶縁性物質よりも多数表面に露出した導電性物質とが表面に露出された基板を真空槽内に配置し、前記基板を所定温度に加熱して前記真空槽内に原料ガスを導入し、前記導電性物質表面に選択的に配線材料を析出させる選択ＣＶＤ方法であって、前記原料ガスを導入する際、前記活性点に吸着して前記活性点を不活性化する添加物ガスを導入することを特徴とする選択ＣＶＤ方法である。
請求項２記載の発明は、前記添加物ガスは、その原料である液体中にキャリアガスを吹き込んで発生させることを特徴とする請求項１記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項３記載の発明は、前記液体を一定温度に加熱することを特徴とする請求項２記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項４記載の発明は、前記添加物ガスは、ＯＨ基を有する化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項５記載の発明は、前記添加物ガスは、珪素を有する化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項６記載の発明は、前記添加物ガスは、キャリアガス中に含まれる気化した水、エタノール、シロキサン、又はトリエチルシラノールである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項７記載の発明は、前記添加物ガスは二種以上が混合されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項８記載の発明は、前記添加物ガスは、前記原料ガスの流量の１／１００００〜１／１００の範囲にされたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
請求項９記載の発明は、前記絶縁性物質で構成された絶縁性薄膜を有し、前記導電性物質は、前記絶縁性薄膜に形成された溝底面に露出され、前記導電性物質表面に配線材料を析出させる請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の選択ＣＶＤ方法である。
【００１２】
ところで、選択ＣＶＤの反応機構は、例えば、六フッ化タングステンガスとモノシランガスとを原料ガスにしてタングステン薄膜を成長させる場合には、導電性物質表面で、
ＷＦ6＋(３／２)ＳｉＨ4 → Ｗ＋(３／２)ＳｉＦ4↑＋３Ｈ2
あるいは、
ＷＦ6＋２ＳｉＨ4 → Ｗ＋２ＳｉＨＦ3↑＋３Ｈ2
の還元反応が生じていると考えられている。より詳細には、その還元反応は、先ず、モノシランガスが導電性物質表面と接触し、そこで電子の授受が行われ、モノシランガスが解離し、その際発生する活性な水素によって六フッ化タングステンガスが還元され、タングステンの析出が行われる。
【００１３】
従って、電子の授受が行われる活性点が多いほどタングステンは析出し易く、また、析出したタングステンが“核”となり、その部分にタングステン薄膜が成長するので、核の発生速度が速いほどタングステン薄膜の成長速度が速いことになる。
【００１４】
一般に、自由電子は導電性物質表面には多く存在するのに対し、絶縁性物質表面には殆ど存在しないため、電子の授受は導電性物質表面では活発に行われるが、絶縁性物質表面では行われ難い。従って、導電性物質表面では、配線材料薄膜の成長に必要な“核”の発生速度が速いのに対し、絶縁性物質表面では遅い。このような核の発生速度の相違が選択性を付与していると考えられる。
【００１５】
上述したように、本発明は、導電性物質と絶縁性物質とが表面に露出した基板を真空槽内に配置し、その真空槽内に配線材料の原料ガスを導入し、導電性物質表面に選択的に配線材料を析出させる選択ＣＶＤ方法であり、真空槽内に原料ガスを導入する際、絶縁性物質表面に吸着しやすい添加物ガスを導入しているので、その添加物ガスが絶縁性物質薄膜の表面にごく少数存在する活性点と結びつき、活性点が不活性化する。その結果、絶縁性物質表面の核発生速度が遅くなり、配線材料薄膜の成長が抑制されるため、選択性の破れが少なくなる。
【００１６】
この場合、導電性物質表面では活性点は非常に多数存在し、少量導入された添加物ガスが導電性物質表面の活性点と結びついても、不活性化されない活性点は多数残存する。従って、導電性物質表面では、核発生速度はそれ程低下せず、配線材料薄膜の成長速度の低下も微小である。
このように、本発明によれば、選択性の破れを防止しながら、導電性物質表面に選択的に配線材料薄膜を成長させることができるのである。
【００１７】
ところで、絶縁性物質の表面に吸着しやすい化合物ガスは、常温では液体であるものが多い。従って、そのような化合物ガスは、原料となる液体中にキャリアガスを吹き込んでガス化させて発生させるとよい。その添加物ガスはキャリアガスと共に原料ガス中に混合した後、真空槽内に導入したり、原料ガスとは別に真空槽内に導入することができる。
【００１８】
この場合、添加物ガスの原料となる液体を一定温度に加熱し、キャリアガス流量を一定に制御しておくと、キャリアガス中に含まれる添加物ガスの割合が一定になり、原料ガス中の添加物ガスの添加割合が安定するので好ましい。
【００１９】
このような添加物ガスについては、水やエタノール等のＯＨ基を有する化合物のガスや、シロキサン等の珪素を有する化合物のガスを用いることができる。シラノール類の場合は、ＯＨ基と珪素を有しているので特に効果的である。
これらの添加物ガスは、一種だけを用いたり、二種以上を混合して用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のＣＶＤ装置を、選択ＣＶＤ方法の発明と共に図面を用いて説明する。
【００２１】
図１を参照し、符号２は、本発明の一実施形態のＣＶＤ装置であり、真空槽１０を有している。
その真空槽１０は、それぞれ金属材料で構成された容器部１１、蓋部１２と、絶縁性物質で構成されたスペーサ１３を有しており、容器部１１と蓋部１２とは、スペーサ１３を介して気密に固定され、真空槽１０が構成されている。容器部１１の底壁には排気口１４が設けられており、図示しない真空ポンプを起動すると、真空槽１０内を真空排気できるように構成されている。
【００２２】
容器部１１の底壁上には、内部に冷却水循環経路４４を有するリング状のアルミブロック４が設けられ、そのアルミブロック４上には、ヒータ５とその表面の石英薄板６とで構成された基板ステージ３が配置され、基板ステージ３のヒータ５と容器部１１の底壁との間には、空間１７が形成されている(アルミブロック４の中央部分)。
【００２３】
空間１７内には、上下移動可能に構成された基板昇降機構１６が配置されており、他方、ヒータ５と石英薄板６とに設けられた貫通孔の中に、基板昇降機構１６のピン１８が挿入されている。
【００２４】
基板昇降機構１６によって基板７の受け渡しを行う場合、ピン１８を下方に移動させて貫通孔中に収納しておき、その状態で、図示しない基板搬送機構によって、真空槽１０内に基板７を搬入し、基板ステージ３の上方に位置させる。次いで、基板昇降機構１６を動作させ、ピン１８を上方に移動させ、貫通孔から突き出させ、ピン１８の先端に基板７を乗せる。その後、基板搬送機構をピン１８の間から逃がし、基板昇降機構１６を下方に移動させると、ピン１８先端に乗せられた基板７は石英薄板６上に受け渡され、かくて基板７が基板ステージ３上に載置される。
【００２５】
真空槽１０の蓋部１２にはガス管２１が接続されており、その先端は３本のガス管２１1、２１2、２１3に分岐されている。一般的に、配線材料の原料ガスは、配線材料を含む化合物ガスと、その化合物ガスから配線材料を析出させる還元性ガスとで構成されており、分岐した各ガス管２１1〜２１3にはバルブ２２1、２２2、２２3が設けられ、１本目のガス管２１1の先端は、マスフローコントローラ２３1を介して配線材料を含む化合物ガスが充填されたガスボンベに接続され、２本目のガス管２１2の先端は、マスフローコントローラ２３2を介して還元性ガスが充填されたガスボンベに接続されている。
【００２６】
真空槽１０の外部には、液体貯蔵用の容器３１が配置されており、その内部には、添加物ガスの原料である液体３２が密閉された状態で納められている。
【００２７】
３本目のガス管２１3は、容器３１上部の蓋部分から容器３１内に気密に挿入され、先端分が液体３２の液面より上方に位置するようにされている。また、その蓋部分からは、キャリアガス導入管３６の一端が気密に挿入されており、その先端部分は液体３２内に浸漬されている。キャリアガス導入管３６の他端にはバルブ３７とマスフローコントローラ３８とが設けられ、その先端部分には、キャリアガスが充填されたガスボンベが接続されている。
【００２８】
容器３１周囲には、図示しない加熱機構(ヒータ)が設けられており、予め液体３２を一定温度に加熱し、ガス管２１3のバルブ２２3とキャリアガス導入管３６のバルブ３７を開け、マスフローコントローラ３８で流量制御しながら液体３２中にキャリアガスを吹き込むと、液体３２が少量気化して添加物ガスが発生し、キャリアガス中に添加され、キャリアガスと共に真空槽１０側に向けてガス管２１3、２１内を流れるように構成されている。
【００２９】
このとき、２本のガス管２１1、２１2に設けられたバルブ２２1、２２2を開状態にしておき、マスフローコントローラ２３1、２３2によって流量制御した状態で、配線材料の原料ガスを流しておくと、３本のガス管２１1〜２１3が１本に集合したガス管２１内で原料ガス、キャリアガス及び添加物ガスが混合され、均一になる。
【００３０】
添加物ガスが流れるガス管２１、２１3には、図示しない加熱機構(ヒータ)が巻回されており、その加熱機構に通電して予め所定温度に加熱しておくと、ガス管２１、２１3内部で添加物ガスが液化することはない。
【００３１】
このＣＶＤ装置２を使用する際、予め真空槽１０内のヒータ５に通電しておき、基板ステージ３を予備加熱しておく。真空槽１０内の真空雰囲気を維持しながら予備室側から基板７を搬入し、前述したように、基板搬送機構と基板昇降機構１６を動作させ、基板ステージ３上に載置する。基板７が所定温度に加熱された後、各バルブ２２1、２２2、２２3、３７を開ける。
【００３２】
真空槽１０の蓋部１２内にはシャワー機構４１が設けられており、真空槽１０内に、マスフローコントローラ２３1、２３2、３８によって流量制御された状態で、導入される原料ガス、キャリアガス及び添加物ガスは、一旦シャワー機構４１内に充満させられる。
【００３３】
シャワー機構４１は、真空槽１０の内部側に向けて形成された多数の小孔を有しており、シャワー機構４１内に充満した各ガスは、それら多数の小孔から基板７表面に向けて均一に散布され、減圧雰囲気下、基板７表面に露出した導電性物質表面で配線材料の選択ＣＶＤ反応が行われる。
【００３４】
なお、基板７表面で選択ＣＶＤ反応が行われている間、容器部１１の底壁に設けられたパージガス導入口４５から基板７裏面に向けてパージガスが噴出されており、基板ステージ３の周囲に配置された防着板４６によって、基板７と基板ステージ３の周囲では、そのバージガス濃度が高くなるように構成されている。従って、基板７表面で選択的に配線材料が析出するが、基板７裏面や基板ステージ３表面及び周囲には配線材料は析出しない。
【００３５】
【実施例】
基板７として、絶縁性物質であるＳｉＯ2薄膜が表面に設けられている８インチのシリコンウェハーを用い、また、配線材料の原料ガスとして、六フッ化タングステンガスとモノシランガスを用い、このＣＶＤ装置２によって、ＳｉＯ2薄膜の溝や穴の底面に露出した導電性物質であるシリコン単結晶表面や金属表面に、タングステンから成る配線材料を選択的に析出させる。
【００３６】
ＳｉＯ2薄膜表面への不要なタングステンの析出を抑制するため、液体３２として、水、エタノール、シロキサン、シラノール(この実施例ではトリエチルシラノール)のうちの一種類を用い、真空槽１０内を真空排気した後、基板７を搬入し、２００℃以上に加熱する。液体３２を５０℃にし、アルゴンガスをキャリアガスとして吹き込み、気化させる。添加物ガス(水のガス、エタノールのガス、シロキサンのガス、又はシラノールのガス)が含まれたキャリアガスを原料ガスと共に真空槽１０内に導入し、選択ＣＶＤ反応を行った。このときの六フッ化タングステンガス流量は２０sccm、モノシランガス流量は１４sccm、アルゴンガス流量は３sccmとした。
【００３７】
選択ＣＶＤ反応を所定時間行った後、基板７を真空槽１０外に搬出し、ダストカウンターを用いて、選択性の破れによってＳｉＯ2薄膜表面に発生した析出物の数をカウントした。なお、このときのタングステン薄膜の成長速度は３００nm／minであった。
【００３８】
比較例として、バルブ２２、３７を閉じ、キャリアガスを流さず、添加物ガスを原料ガス中に添加しない場合についても、基板７上にタングステン薄膜を選択的に成長させた。
【００３９】
溝や穴内に形成された配線材料薄膜の膜厚(ｎｍ)を横軸にとり、各添加物ガスについての選択性の破れの個数(ＳｉＯ2薄膜表面の島状の析出物の数)を縦軸にとり(対数目盛)、図２のグラフに示す。
【００４０】
このグラフから分かるように、添加物ガスを用いない場合には数万個程度の析出物が観察されるのに対し、上記各添加物ガスを用いた場合には析出物の個数は非常に少なく、選択性の破れが抑制されている。１００個程度の個数はダストの数である。
【００４１】
一般に、配線材料薄膜を厚く形成するほど選択性の破れは発生し易くなり、絶縁性物質薄膜の表面に発生する析出物は多くなる。上記各添加物ガスを用いた場合でも、シロキサン、エタノール、水では、タングステン薄膜の膜厚が増加するに連れて、僅かではあるが選択性の破れは増加する傾向にある。他方、トリエチルシラノールのガスを添加物ガスとして用いた場合には、タングステン薄膜の膜厚が増加しても、ＳｉＯ2薄膜表面の析出物の増加は認められず、優れた特性を示している。
【００４２】
【実施例】
次に、液体３２にトリエチルシラノールを用い、キャリアガスとしてのアルゴンガス流量を変化させて吹き込み、トリエチルシラノールのガスを発生させ、原料ガス中に添加した。このときの六フッ化タングステンガスとモノシランガスの流量は、それぞれ３０sccm、２１sccmの一定量とし、選択性の破れの個数とアルゴンガスの流量との関係を調べた。
アルゴンガス流量(sccm)を横軸に、選択性の破れの個数を縦軸にとり、その関係を図３のグラフに示す。
【００４３】
アルゴンガス流量と、原料ガス中に添加される添加物ガスの量とは比例しており、アルゴンガス流量が少なく、原料ガス中の添加物ガスの割合が小さい場合は、選択性の破れは多く、添加物ガスの効果は小さい。従って、添加物ガス量は多い程効果的である。
【００４４】
しかし、アルゴンガス流量が増加すると原料ガス濃度が低下するので、タングステン薄膜の成長速度は遅くなってしまう。図４にアルゴンガス流量と成膜速度の関係を示す。従って、実使用上は、アルゴンガス流量を増やして添加物ガスの割合を増加させる場合にも上限がある。図４から分かるように、アルゴンガス流量としては、典型的には２sccm〜５sccmの範囲で流すようにするとよい。なお、添加割合に換算した場合、実験結果によると、添加物ガスは、配線材料の原料ガスの約１／１００００〜１／１００の範囲にすると効果があった。
【００４５】
【実施例】
なお、以上説明した実施形態は、タングステン薄膜を配線材料に用いる場合であったが、本発明はタングステン薄膜を選択的に成長させる場合に限定されるものではない。例えばモリブデン薄膜等、導電性物質表面に選択的に配線材料を析出させる選択ＣＶＤ方法について広く適用することができる。
【００４６】
また、上記添加物ガスには、キャリアガス中に含まれる気化した水、エタノール、シロキサン、又はトリエチルシラノールを用いたが、本発明の添加物ガスはそれらに限定されるものではない。また、常温で液体であるものに限定されるものではなく、常温で気体であるものでもよい。要するに、絶縁性物質表面に吸着しやすい添加物ガスを広く用いることができる。
【００４７】
更に、一種類の化合物を添加物ガスに用いる場合に限定されるものではなく、二種類以上の添加物ガスを混合して用いる場合も含まれる。混合された添加物ガスを用いる場合、原料である液体を混合して添加物ガスを発生させてもよいし、個別に発生させた後で混合してもよい。
【００４８】
なお、原料ガス中の還元性ガスに用いたモノシランガスは一例であり、それに限定されるものではない。例えば水素ガス、その他のガスを用いることができる。また、必ずしも還元性ガスを用いる必要はなく、溝や穴の底部に露出するシリコンを還元剤に用いることもできる。キャリアガスもアルゴンガスに限定されるものではなく、種々の不活性ガスの他、原料ガス自体を用いる場合も含まれる。原料ガスと添加物ガスを含むキャリアガスとは、ガス管中で混合しても、真空槽中やその他の場所で混合してもよい。
【００４９】
また、溝や穴を形成する絶縁性物質の薄膜はＳｉＯ2薄膜に限定されるものではなく、ＳＯＧ膜、窒化膜等、種々の絶縁性物質の薄膜が含まれる。
【００５０】
【発明の効果】
選択性の破れが少なくなるので、エッチバック工程が不要になる。
グルー層を用いる必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣＶＤ装置の一例
【図２】配線材料薄膜の膜厚と選択性の破れの関係を説明するためのグラフ
【図３】添加物ガスの原料である液体中に吹き込むアルゴンガス流量と選択性の破れの関係を説明するためのグラフ
【図４】アルゴンガス流量と成膜速度の関係を説明するための図
【図５】(ａ)、(ｂ)：選択性の破れを説明するための図
【符号の説明】
２……ＣＶＤ装置    ７……基板    １０……真空槽    ３１……容器    ３２……添加物ガスの原料の液体    ２１、２１1〜２１3……ガス管
【図１】
0003611940.tif 000002
【図２】
0003611940.tif 000003
【図３】
0003611940.tif 000004
【図４】
0003611940.tif 000005
【図５】
0003611940.tif 000006