博士 （地 球 環境 科学 ） 西村 博司
学 位 論 文 題 名

銅薄膜の堆積に関する研究
学位論文内容の要旨
本研究は、高性能・低消費電カの次世代微細C
u配線デバイスを実現する上で不可欠な、の薄膜の成膜技術と素子分離絶縁膜の成膜技術について、微細化に対応したプロセスの構築と実用化を目的として行われた。このための課題としては、以下の三つの課題があげられる。
（1）Cu
薄膜の埋め込み成膜、 （2）素子分離絶縁膜の埋め 込み成膜、（3）Cu
配線デバイ
ス製造工程における低コスト化と環境負荷の低減。
第一の課題であるCu薄膜の埋め込み戚膜に関しては、 Cu‑C
VD法を用いたC
1i薄膜形成プ ロセスの構築と高性能化の研究を行い、Cu原料の改善と反応促進物の添加による新たなCu‑CVDプロセスを提案した。まず、Cu‑CVD法によるCu薄膜 の成膜にっいて基礎評価を行い のーC
VD法の課題を明らかに し、課題の解決には、の原料錯化合物の化学構造最適化と反 応促進物の添加によるCu原子生成の促進が必要であることを指摘した。そのため次に、
Cu
原料錯化合物の蒸気圧と化学構造に着目した基礎性能評価を行い、戚膜速度を律速している要因が蒸気圧やりガンド−Cu間の結合強さ以外の要因であることを明らかにした。また、
Cu‑CVDの性能向上にはの核が生成する成膜初期過程の改善が必要であることを指摘した。
次 に、成膜初期過程の改善のためにCu‑C
VD反応系へのH20添加について検討を行い、H20添 加により堆積膜中の不純物量が増大する問題があることを明らかにした。これは、H20
添加 系の成膜メカニズムの考察から、リガンド中のC‑Si結合 がH20により加水分解することで分解生成物が膜に取り込まれるためと推論した。そこで本研究では、リガンドの化学構造を 最 適化 した 新た な原 料の (hfac)
Cu(3‑Hexyne)を 提案し 、膜の抵抗率2肛Qcm、幅440nm深 さ 1750nm（ ア ス ベ ク ト 比=4．0）の 溝形 状に 対し て の埋 め込 み戚 膜を 実現 した 。
本 研究の意義は、Cu‑
CVD法の性能向上方法の指針を示した 点、将来の微細Cu配線デパイ
ス におけるCu薄膜の埋め込み成膜方法として適用性が高いことを明らかにした点、であると考える。
第二の課題である素子分離絶縁膜の埋め込み成膜に関 しては、HD
P‑CV
D法を用いた絶縁 膜の埋め込み成膜技術について研究を行い、微細デバイ スに対応した新たなHD
P‑CVD
埋め込み戚膜プロセスを提案した。まず、絶縁膜の埋め込み要因の解析と成膜メカニズムを考察することにより、スバッタイールドの角度依存性とイオン性のデポジション成分が埋め込‑98一

み性能向上に重要な要因であることを明らかにした。これらの埋め込み要因とプロセスバラメータの関係を考察し、ブラズマ生成バワーの増加と成膜圧カを低減させたプロセスにより、
ス ペ ー ス 幅 0. 13ル m、 ア ス ペ ク ト比 3.9の 微 細 デバ イ ス のSn構 造に 対 し て 絶縁 膜 の埋め込み 成膜が 可能であ ること を明らかにした。さらに、本研究のH
DP‑
CV
D埋め込みメカ
ニズ ム 解 析に 基 づ き、 新 た な H
DP− C
VD形 状シ ミ ュ レー シ ョ ンモ デ ル を提 案 し 、 このHDP‑CVD
形 状シミュ レーシ ョンによ り、戚膜形状を高精度に再現することが可能であることを 明 ら かに し た 。本 研 究 で 構築 し た 新た な HD
P‑CVD埋 め込 みプロ セスは、 0. 13以m世代の微細デバイス製造工程で実用化されており、微細デバイスを実現する上で意義があるものと考える。
第三の 課題であるCu
配線デバイスの製造工程における低コスト化と環境負荷の低減に関しては 、高価 な温室効 果ガス を大量に使用しているH
DP‑C
VD
工程のクリーニングプロセスに着目し、温室効果ガスの使用量を削減する技術にっいて研究を行った。クリーニング特性の基礎評価から、反応系の温度の高温度化、ラジカル輸送過程における失活の防止、プラズマ励起によるラジカル生成の高効率化、が重要であることを明らかにし、課題を解決する方法として、熱アシストを加えたプレヒートクリーニングによる高効率化と、高効率プラズマ源と環境負荷の小さな代替ガスを用いる新クリーニングシステムを提案した。このプレヒートクリ ーニン グプロセ スをHD
P‑
CV
Dの量産プロセスとして実用化し、クリーニング時間短縮による工程の処理能力向上、NF
3
ガス使用量の200/0削減を実現した。特に、NF
3ガスの使用量20%削減は、HDP‑CV
D工程の温室効果ガス使用量削減に大きく寄与するものであり、本研究の意義は大きいと考える。また、環境負荷の小さな代替ガスとしてC3F8ガスの適用について研究を行い、より高速のクリーニング速度を得るには、プラズマによる解離を促進させる必要があることを明らかにした。本研究では、解離促進のためにル波の伝送損失の小さなTEMモー ド プ ラズ マ 源 を 提案 し、HDP‑
CV
D工程 の温室効 果ガス 使用量を 3〜4割削 減できる可能性が高いことを明らかにした。温室効果ガスを用いたクリ・ーニングを行う他の半導体製造装置への適用可能性が高く、温室効果ガス使用量削減に大きく寄与する点で本研究は意義があると考える。
最後に 本研究を総括すれば、本研究は、高性能・低消費電カのC
u
配線デバイスを実現する上で の課題である、Cu薄膜の埋め込み戚膜、素子分離絶縁膜の埋め込み成膜、の配線
デバイス製造工程における低コスト化と環境負荷の低減、について改善の指針や課題の解決方法を提 案したものである。Cu‑CV
D法の高性能化の方向について指針を与えたこと、微細な素子分 離領域 の絶縁膜 埋め込 みを達成したこと、量産工程においてHDP‑CVD装置の温室効果ガス使用量を削減したこと、は本研究の大きな成果である。中でも、温室効果ガス使用量の削減を実現したことは、Cu配線デバイス製造工程の低コスト化を実現しただけでなく、全地球的な環境問題に対して大きく貢献できるものである。
‑ 99一

学位論文審査の要旨
主査

教授

西則雄

副査

教授

坂入信 夫

副査

助 教授

副査

教授

野水 基義
覚知豊 次（北海 道大学大 学院工学研究科）

学 位論 文題 名
銅 薄 膜の堆積に関する研究
本 研 究の 目 的 は、 高 性能 ・ 低 消費 電 力 Cu配 線デ パ イ スを 実 現す る 上 で必 要
不 可欠 な 、Cu薄 膜の 製 膜技 術 と 素子 分 離 絶縁 膜 の埋 め 込 み製 膜 技術 に 関 し研
究 を行 い 、次 世 代微 細デバイ スに対応し た製膜プ ロセスの 構築と実 用化を行 う
こ とに あ る。 本 研 究で は 、こ の よ うな 目 的に 沿 った研究 を行い以 下の3つの 項目につ いて述べて いる。
（ 1） Cu― CVD(Cu― ChemicalVaporDeposition） 法 を 用 い た 銅 薄 膜形 成 プロセスの 構築と高性 能化（ 2） HDP． ― CVD（ HighDenSityPlaSma― ChemiCalVaporDepOSition）法 を 用
いた素子分離絶縁膜 の埋め込み製膜プロセスの構 築と実用化（ 3）HDP― ． CvD法 を 用 いた 絶 縁膜 成 膜 工程 の 低コスト 化と環境 負荷を低 減す
る新た な成膜プロ セスの構 築と実用 化。
（ 1）で は 、 Cu− CVD法の 課 題で あ る 埋め 込 み性 能 と 堆積 速 度 を実 用 可能 な レ
ベ ル に 向 上 さ せ る た め に 、 新 規 な Cu原 料 を 用 い た Cu― CVDプ ロ セ ス の 構 築と、水 を添加する ことで成 膜反応を 促進させた新たな成膜プ口セスを開発した。
こ の新 規 銅原 料 と 水添 加 の成 膜 プ ロセ ス によ り 、従来の 2倍の堆積 速度でア ス
ベ クト レ シオ 4： 1（ 深 さと 幅 の 比が 4： 1） の 段差 を 埋 め込 め る銅 埋 め 込み 成膜 が可 能 とな っ た。 これによ り、次世代 の銅配線 デパイス に適用で きるレベ ルのCu―CVD性 能が得られ た。
（ 2）で は 、 銅多 層 配 線デ バ イス の 素 子分 離 絶縁 埋め込み 成膜に関 し、従来 のHDP￣ CVD法 に つ い て 成 膜 メ カ ニ ズ ム 解 析 に よ り 新 た な HDP― CVD埋 め 込みプ口 セスを開発 した。
（3）で は、銅多層 配線デバ イスの低 コスト化と環境負荷の低減に関し、HDP一
CVD工 程 の 低 コ ス ト 化 と 環 境 負 荷 低 減 技術 に つい て 研 究を 行 った 。 HDP一CVD
装 置の 反 応チ ャ ンパ ーのクリ ーニングに は、高価 な温室効 果ガスを 大量に使 用し ている 。本研究で は、従来 のクリー ニングガ スの使用 料を削減 するプ口セ スの 構築と 、安価で環 境負荷の 小さなガ スを使用 した新規 クリーニ ングガスプ ロセ スを開 発し、温室 効果ガス の使用料 を20％削減 すること が可能と なった。この 結果は 、温室効果 ガスを用 いたクリ ーニング を行う他 の半導体 製造装置へ の適 応可能 性が高く、 温室効果 ガス使用 量削減に 大きく寄 与する点 で本研究は 意義があ ると考え る。
本 研 究を 総 括 すれ ば 、 本研 究 は、 高 性 能・ 低 消費 電 カ のCu配線デ パイスを実 現す る 上で の 課 題で あ る、 Cu薄膜 の 埋 め込 み 成膜 、 素 子分 離絶 縁膜の埋め込 み成 膜 、Cu配 線デ バ イ ス製 造 工程 に お ける 低 コス ト 化 と環 境負 荷の低減、に つ い て 改 善 の 指 針 や課 題 の 解決 方 法を 提 案 した も ので あ る 。Cu― CVD法 の高 性能化 の方向につ いて指針 を与えた こと、微 細な素子 分離領域 の絶縁膜埋 め
込 みを 達 成し た こ と、 量 産工 程 に おい て HDP ― CVD装置 の 温 室効果ガ ス使用量 を削減 したことは 本研究の 大きな成 果である 。中でも 、温室効 果ガス使用 量の 削減 を 実現 し た こと は 、Cu配 線デ パ イ ス製 造 工程 の 低 コス ト化 を実現した
だ け で な く 、 全 地 球 的 な 環 境 問 題 に 対 し て 大 き く貢 献 でき る も ので あ る。
審 査員一 同は、これ らの成果 を高く評 価し、ま た申請者 は研究者 として誠実
か つ研究 熱心であり 、大学院 課程にお ける研鑽 や取得単 位なども 併せ申請者 が博士（ 地球環境 科学）の学位を受けるのに充分な資格を有するものと判定した。