JP2000188266A - メタル成膜装置及びその成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来技術によるメタル成膜は、均一的な膜厚の
成膜であり表面に凹凸が発生した。多層構造にするため
に成膜や除去を行う工程が繰り返し行われ、既に形成さ
れている配線や層間絶縁膜の特性を変化させたり、損傷
を防ぐために高温プロセスを取り入れることができずプ
ロセス設計にも多くの制限があった。 【解決手段】本発明は、液状化された配線材料（液状メ
タル４）を回転するウエハ１表面に滴下若しくはスプレ
ーして平坦化されたメタル層を形成するメタル成膜装置
であり、さらには、ＳｉＮからなるダミー配線２３で多
層配線構造に形成された後、ダミー配線２３を除去して
空洞２４が形成されたウエハ１を、排気系１２及び液状
メタル供給部６を備えたチャンバ１１内に装填して、そ
の空洞２４内に真空を利用して液状化された液状メタル
４を充填することにより、多層配線を形成するメタル成
膜装置及びその成膜方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メタルを液体状体
にして、半導体基板を被覆して固体化しメタル配線を形
成するメタル成膜装置及びその成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体基板上に形成された回路
素子間を接続するメタル配線は、スパッタリング法やＣ
ＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法などを用いて、
基板全面上に成膜した後、フォトリソグラフィ技術を伴
うエッチング法により不要箇所を除去して形成されてい
る。

【０００３】また多層配線構造は、配線と層間絶縁膜を
階層的に積層し、その層間絶縁膜にビアホールを形成し
て、配線の層間を電気的に接続して構成されている。こ
の構成においても、配線は、スパッタリング法やＣＶＤ
法による成膜と、エッチング法やＣＭＰ（Chemical Mec
hanical Polishing ）法による不要箇所の除去により形
成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術によるメタル
成膜は、真空中及びプラズマ中で分子サイズとなって基
板に堆積している。この時、均一的な膜厚で成膜される
ため、堆積させる面に凹凸があった場合には、成膜表面
も凹凸となり、成膜時での平坦化は難しい。

【０００５】成膜表面が平坦化されていない場合、フォ
トリソグラフィ技術における露光の際に、マスクからパ
ターンの正確な描写できないという問題が発生する。そ
のため、エッチングやＣＭＰ等を用いて各配線層や各層
間絶縁膜を平坦化する処理が施されている。

【０００６】また従来、多層配線を形成する場合、成膜
や除去を行う工程が繰り返し行われることとなり、既に
形成されている配線や層間絶縁膜の特性を変化させた
り、損傷を防ぐために高温プロセスを取り入れることが
できず、低温プロセスを用いることとなるため、プロセ
ス設計にも多くの制限があった。

【０００７】また、多層になるほど配線と層間絶縁膜が
プラズマに晒される機会が増えるため、ダメージを受け
る可能性が高くなっていた。

【０００８】さらに、製造工程には、発生した結晶欠陥
を熱処理による再結晶化を図るための熱処理工程が必要
であり、多層配線構造においては、その熱処理の回数も
増すこととなり、熱処理による損傷を防止するためにプ
ロセス条件も厳しくなっていた。

【０００９】そこで本発明は、表面が平坦化された配線
層を短い成膜時間で形成し、プラズマによる損傷を抑制
し、高温プロセスにも対応可能な多層配線構造に好適す
るメタル成膜装置及びその成膜方法を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、半導体基板を載置し固定して回転するテー
ブルと、このテーブルに載置された上記半導体基板を加
熱するヒータ部と、融点を超えて液体状態となった配線
材料若しくは、溶媒に溶解されて液体状態となった配線
材料からなる液状メタルのいずれかを、ノズルから上記
半導体基板に滴下する若しくは、霧状にスプレーして上
記半導体基板表面を被覆する液状メタル供給部とを備え
るメタル成膜装置を提供する。

【００１１】また密閉可能で、半導体基板を搬入搬出す
るためのゲートを備えるチャンバと、上記チャンバ内を
真空排気する排気系と、上記半導体基板が装填され真空
状態となった上記チャンバに、融点を超えて液体状態若
しくは溶媒に溶解されて液体状態となった配線材料から
なる液状メタルを供給する液状メタル供給部と、上記チ
ャンバ内に充満された液状メタルをチャンバ外に排出す
る液状メタル排出部と、上記チャンバ及び装填された上
記半導体基板を上記液状メタルの融点以上の温度に加熱
維持させるためのヒータ部とを備えるメタル成膜装置を
提供する。

【００１２】さらに、融点を超えて液体状態若しくは、
溶媒に溶解されて液体状態となった配線材料からなる液
状メタルを半導体基板に滴下する若しくは、霧状にスプ
レーして該半導体基板表面を被覆し、上記液状メタルを
固体化させることにより、配線となるメタル層を形成す
るメタル成膜方法を提供する。

【００１３】また、半導体基板上に酸化シリコン（Ｓi
Ｏ₂ ）からなる層間絶縁膜及び窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ）からなるダミー配線により、多層配線を形成した
後、上記ダミー配線を除去して空洞を形成し、融点を超
えて液体状態となった配線材料からなる液状メタルを、
真空環境下にある半導体基板上に被覆させて、上記空洞
を液状メタルで充満させて固体化させることにより、多
層配線を形成するメタル成膜方法を提供する。

【００１４】以上のような構成のメタル成膜装置及びそ
の成膜方法は、回転するテーブルに載置され固定された
ウエハの表面に、融点を超えて液状化若しくは溶媒に溶
かされて液状化された配線材料（液状メタル）を適宜、
滴下若しくはスプレーして被覆させ、固体化させること
で平坦化されたメタル層を形成する。

【００１５】さらにはウエハ上に、ＳｉＮからなるダミ
ー配線で多層配線を形成した後、ダミー配線を除去して
空洞を形成する。その空洞が形成されたウエハを、排気
系及び液状メタル供給部を備えたチャンバ内に装填し
て、その空洞内に真空を利用して液状化された液状メタ
ルを充填することにより、多層配線を形成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１には、本発明によ
る第１の実施形態に係るメタル成膜装置を概念的に示
し、その成膜方法について説明する。この成膜装置は、
ウエハ表面に深い凹凸が多数存在する若しくは、コンタ
クトホールやビアホールが多数存在する半導体基板（ウ
エハ）に対して、メタル層（配線）の形成に好適する。

【００１７】その構成として、例えばスピンコート装置
のようにウエハ１を載置し固定して回転するテーブル２
と、このテーブル２を加熱するヒータ部３と、融点を超
えて液体状態、若しくは溶媒に溶解されて液体状態とな
った液状メタル４をノズル５から適宜量をウエハ１に滴
下する液状メタル供給部６とを備えている。

【００１８】このヒータ部３は、抵抗加熱に限らず、ウ
エハ１を直接加熱するランプヒータ加熱であってもよ
い。また、メタル層の形成の後、ウエハ１がテーブル２
に固着するのを防止するために、ウエハ１の周囲を覆う
ようなカバー７を取り付けてもよい。

【００１９】ここで、上記液状メタル４について説明す
る。この液状メタル４は、配線を形成する金属材料であ
り、融点を超えて液状とされるか、溶媒に溶かされて液
状となっている。その金属材料としては、成膜時に、Ｃ
ｕ−Ｃｄ合金（Ｃｄ：１．３％）、Ａｇ−Ｃｕ合金（Ｃ
ｕ：７．５〜２８％）、Ａｇ−Ｐｄ合金（Ｐｄ：３〜４
５％）等になるものが考えられる。溶媒に溶かされた場
合には、成膜時に、いずれかの上記合金になるように金
属がとけ込んだアルコキシドを用いる。成膜したこれら
の金属は、従来のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕよりも抵抗率が低い
特徴がある。

【００２０】または、液体の硝酸銀錯体を用い、被覆後
に還元させて、銀（Ａｇ）膜を生成することも可能であ
る。他にも、金属を微細な粒子状に粉砕し、ペースト状
にして用いてもよい。この場合には、堆積後に、熱処理
を施し融解して一体化させる。

【００２１】まず、融解した液状メタル４を図１に示し
たメタル成膜装置に用いた成膜方法について説明する。
ウエハ１をテーブル２に載置して固定し、テーブル２を
高速回転させる。ウエハ１の固定には、静電チャックや
真空チャックを用いる。またカバー７を固定するための
治具として代用してもよい。

【００２２】ヒータ部３により加熱されたテーブル２を
介して、ウエハ１が液状メタル４の融点以上の温度に維
持される。その後、回転しているウエハ１に液状メタル
４を滴下して、ウエハ表面に薄く被覆させる。被覆され
た液状メタル４は、その温度が低下すると共に固体化し
て、平坦なメタル層として形成される。

【００２３】メタル層の膜厚は、液状メタルの滴下量に
より調整する。さらに膜厚の微調整を行う場合には、予
めウエハ１上にストッパを形成しておき、ＣＭＰ法によ
り膜厚調整を行ってもよい。

【００２４】次に、このメタル層に対して、ＲＩＥ等の
通常のエッチング法により、配線形成を行う。またねＣ
ＭＰ法を膜厚調整だけでなく、層間絶縁膜に配線パター
ンと同じ溝を予め形成しておき、ＣＭＰ法を用いて溝に
充填されたメタル層以外を除去すれば、配線として形成
できる。

【００２５】一方、溶媒に溶かされた液状メタルの場合
について説明する。前述したと同様に、ウエハ１を載置
して固定した後、テーブル２を回転させて、その回転し
ているウエハ１に液状メタル４を滴下して、ウエハ表面
に薄く被覆させる。

【００２６】被覆された液状メタル４は、その溶液を蒸
発させて、固体金属膜からなるメタル層として形成させ
る。この蒸発については、自然的に蒸発させてもよい
し、適宜、ベーキング装置を用いて加熱蒸発させてもよ
い。

【００２７】以上の本実施形態によれば、滴下された液
状のメタルを広げて被覆させるため、ウエハ１表面の凹
部分には埋め込むように入り込み、且つ表面は平坦化さ
れる。ＣＭＰ法を用いることにより、膜厚の微調整や薄
膜化も容易に実現することができる。

【００２８】さらに、溶媒に溶かされた液状メタルを使
用する場合には、液状化する際に、金属の濃度を調整す
ることにより、形成されるメタル層の膜厚を微妙に調整
をすることができる。次に図２には、第２の実施形態に
係るメタル成膜装置を概念的に示し、その成膜方法につ
いて説明する。ここで、本実施形態の構成部位につい
て、図１に示した構成部位と同等のものには、同じ参照
符号を付してその説明を省略する。前述した実施形態で
は、ノズル５を備えて液状メタルを滴下して被覆させた
が、本実施形態では、同等の液状メタル４をウエハ１に
スプレーして被膜させるための吹き付け部８を設けてい
る。

【００２９】本実施形態のメタル形成方法としては、ま
ず、ウエハ１をテーブル２に載置して固定し回転させ
る。融解させた液状メタルを使用するのであれば、ウエ
ハ１を融点以上の温度に加熱し維持させる。次に、吹き
付け部８の吹き付け口９からウエハ１に対して、適宜量
の液状メタル４をスプレーして被覆させる。

【００３０】以後の工程は、第１の実施形態と同様に、
被覆された液状メタル４をそれぞれ固体化した後、エッ
チング法若しくはＣＭＰ法を用いて、配線に形成する。

【００３１】本実施形態においても、第１の実施形態と
同等の効果が得られる。また、本実施形態では、テーブ
ルを回転させた例で説明したが、吹き付けにムラができ
ないようであれば、その回転は必ずしも必要ではない。
さらに、吹き付け口９は、１つに限られるものではな
く、複数を適宜配置してもよい。

【００３２】次に図３には、第３の実施形態に係るメタ
ル成膜装置を概念的に示し、その成膜方法について説明
する。本実施形態は、メッキ技術を利用したものであ
り、メッキ槽１０に金属有機化合物例えば、硫酸（Ｈ₂
ＳＯ₄ ）＋酸化銅（ＣｕＯ又はＣｕＯ₂ ）を満たし、
ウエハ１を入れる。そしてウエハ１と電極間に電圧を印
加した電気メッキにより、ウエハ１の表面に銅（Ｃｕ）
からなるメタル層を形成する。

【００３３】以下は、第１の実施形態と同様に、被覆さ
れたメタル層にエッチング法若しくはＣＭＰ法を用い
て、配線に加工する。また、メッキ槽１０に超音波等を
印加して振動を与え、ビアホールやコンタクトホール内
が確実に埋め込まれるようにしてもよい。

【００３４】次に図４には、第４の実施形態に係るメタ
ル成膜装置の概略的な構成を示し、その成膜方法につい
て説明する。ここで、本実施形態の構成部位について、
図１に示した構成部位と同等のものには、同じ参照符号
を付してその説明を省略する。

【００３５】本実施形態は、多層配線を形成するのに好
適する。このメタル成膜装置は、密閉可能なチャンバ１
１と、チャンバ１１内を真空排気する排気系１２と、チ
ャンバ１１と排気系１２との間に設けられた排気系バル
ブ１３と、液状メタル４をチャンバ１１に供給する液状
メタル供給部６と、チャンバ１１と液状メタル供給部６
との間に設けられた液状メタル供給系バルブ１４と、チ
ャンバ１１内に充満した液状メタル４をチャンバ外に排
出する液状メタル排出部１５と、チャンバ１１と液状メ
タル排出部１５との間に設けられた液状メタル排出バル
ブ１６と、チャンバ１１及び装填されたウエハ１を融点
以上の温度に加熱維持させるためのヒータ部１７（１７
ａ，１７ｂ）とを備えている。

【００３６】上記チャンバ１１は、所定真空度までの到
達時間の迅速化、ウエハ１及びチャンバ１１の加熱効
率、液状メタルの使用量等を考慮すると、ウエハ１が装
填可能な範囲でなるべく小容量が望ましい。また、チャ
ンバ１１は、ゲート１８を設けるか、チャンバ１１自体
が分離することにより、ウエハ１の装填が可能な構成と
なっている。

【００３７】次に、ウエハ１に多層配線を形成する方法
について説明する。本実施形態では、液状メタルとして
は、融解されたメタルを用いる。溶媒に溶解されて液体
状態となった液状メタルは、後述する空洞に充填された
後、溶媒が蒸発してしまうため、隙間が生じる恐れがあ
り本実施形態には好適しない。

【００３８】まず図５には、本発明に用いるための多層
配線を形成するためのウエハ１の断面構造を示す。図５
（ａ）に示すように、シリコン基板２１上に回路素子を
形成した後、一般的な成膜技術及びエッチング技術を用
いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）からなる層間絶縁膜
２２と、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）からなるダミー配線
２３を多層配線構造に形成する。

【００３９】その後、図５（ｂ）に示すようにダミー配
線２３を熱リン酸（Ｈ₃ ＰＯ₄ ）により除去して、空洞
２４を形成させる。この亜リン酸とシリコン酸化膜との
選択比は、２０〜５０：１であるため、十分な選択比に
より空洞を形成することができる。

【００４０】このような空洞２４が形成されたウエハ１
をチャンバ１１に搬入して、所定位置に固定する。その
後、排気系１２を駆動させた後、排気系バルブ１３を開
けて、チャンバ１１内を排気して真空状態にする。この
時、ヒータ部１７により、チャンバ１１とウエハ１を被
覆させる液状メタルの融点以上の温度に加熱、維持させ
る。

【００４１】次に排気系バルブ１３を閉じ、液状メタル
供給系バルブ１４を開けて、チャンバ１１内に液状メタ
ル４を急速に満たす。この時、チャンバ１１内が真空状
態であるため、液状メタル４は、ウエハ１１の空洞２４
に入り込み、隙間なく充填される。

【００４２】その後、液状メタル供給系バルブ１４を閉
じて、液状メタル４の供給を停止する。さらに液状メタ
ル排出バルブ１６を開けて、液状メタル排出部１５によ
り充満している液状メタル４をチャンバ外に排出する。

【００４３】そして、ヒータ部１７による加熱を停止し
てウエハ１を冷却させて、空洞２３に充填された液状メ
タル４が固体化され、メタル配線が形成される。以後の
工程は、第１の実施形態と同様に、被覆された液状メタ
ル４をエッチング法若しくはＣＭＰ法を用いて、配線と
して形成する。

【００４４】本実施形態においても、第１の実施形態と
同等の効果が得られる。さらに、ダミー配線として、Ｓ
ｉＮを用いているため、従来多層配線を形成する工程に
おいて、既に形成されている配線の損傷を防ぐために取
り入れることができなかった高温プロセスを取り入れる
ことができ、プロセス設計の多様化が実現できる。

【００４５】また、本実施形態を用いて多層配線を形成
した場合には、ウエハ表面をＣＭＰ法を用いて、不要な
メタル層を除去するだけですべての多層配線が完成する
ため、従来必要であったプラズマを用いたエッチングを
使用する必要がなくなるため、プラズマによる損傷を無
くすことができる。

【００４６】また、最上層の層間絶縁膜に電極やパッド
となる溝を予め形成しておくことにより、配線のみなら
ず、電極パッドの形成も同時にすることができる。

【００４７】次に図６は、第５の実施形態に係るメタル
成膜装置の概略的な構成を示し、その成膜方法について
説明する。ここで本実施形態の構成部位について、図４
に示した構成部位と同等のものには、同じ参照符号を付
してその説明を省略する。

【００４８】本実施形態は、前述した第４実施形態にお
けるチャンバ１１に、不活性ガス等の所定ガスをチャン
バ内に導入して加圧するガス加圧部１９をさらに設けて
いる。

【００４９】このガス加圧部１９を設けることにより、
第４の実施形態の効果に加えて、ウエハ１の空洞２４に
液状メタル４を充填させて液状メタル４の供給を停止し
た後、液状メタル排出バルブ１６を開けて、チャンバ外
に液状メタル４を排出する際に、ガス加圧バルブ２０を
開けて不活性ガスを導入して、強制的に排出すさせて、
その排出速度を速めることができる。

【００５０】さらに、液状メタル排出バルブ１６を開け
てガスを加圧しているため、液状メタルが空洞２４を完
全に充填されずに僅かな隙間が生じていた場合にも外側
から圧力が加わり、さらに密着させることができる。

【００５１】本実施形態においても打４の実施形態と同
等の効果が得られる。

【００５２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、表
面が平坦化された配線層を短い成膜時間で形成し、プラ
ズマによる損傷を抑制し、高温プロセスにも対応可能な
多層配線構造に好適するメタル成膜装置及びその成膜方
法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係るメタル成膜装置を概念的
に示す図である。

【図２】第２の実施形態に係るメタル成膜装置を概念的
に示す図である。

【図３】第３の実施形態に係るメタル成膜装置を概念的
に示す図である。

【図４】第４の実施形態に係るメタル成膜装置の概略的
な構成を示す図である。

【図５】本発明に用いるための多層配線を形成するため
のウエハの断面構造を示す図である。

【図６】第５の実施形態に係るメタル成膜装置の概略的
な構成を示す図である。

【符号の説明】

１，２１…半導体基板（ウエハ） ２…テーブル ３，１７…ヒータ部 ４…液状メタル ５…ノズル ６…液状メタル供給部 ７…カバー ８…吹き付け部 ９…吹き出し口 １０…メッキ槽 １１…チャンバ １２…排気系 １３…排気系バルブ １４…液状メタル供給系バルブ １５…液状メタル排出部 １６…液状メタル排出バルブ １８…ゲート １９…ガス加圧部 ２０…ガス加圧バルブ ２２…層間絶縁膜 ２３…ダミー配線

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板を載置し固定して回転するテ
   ーブルと、 このテーブルに載置された上記半導体基板を加熱するヒ
   ータ部と、 融点を超えて液体状態となった配線材料からなる液状メ
   タルをノズルから上記半導体基板に滴下する若しくは、
   霧状にスプレーして上記半導体基板表面を被覆する液状
   メタル供給部と、を具備することを特徴とするメタル成
   膜装置。
2. 【請求項２】 半導体基板を載置し固定して回転するテ
   ーブルと、 溶媒に溶解されて液体状態となった配線材料からなる液
   状メタルをノズルから上記半導体基板に滴下する若しく
   は、霧状にスプレーして上記半導体基板表面を被覆する
   液状メタル供給部と、を具備することを特徴とするメタ
   ル成膜装置。
3. 【請求項３】 密閉可能で、半導体基板を搬入搬出する
   ためのゲートを備えるチャンバと、 上記チャンバ内を真空排気する排気系と、 上記半導体基板が装填され真空状態となった上記チャン
   バに、融点を超えて液体状態若しくは溶媒に溶解されて
   液体状態となった配線材料からなる液状メタルを供給す
   る液状メタル供給部と、 上記チャンバ内に充満された液状メタルをチャンバ外に
   排出する液状メタル排出部と、 上記チャンバ及び装填された上記半導体基板を上記液状
   メタルの融点以上の温度に加熱維持させるためのヒータ
   部と、を具備することを特徴とするメタル成膜装置。
4. 【請求項４】 上記メタル成膜装置において、さらに、 上記チャンバに設けられ、不活性ガスを含む所定ガスを
   導入して加圧するガス加圧部を備え、 上記液状メタル排出部により上記チャンバから液状メタ
   ルを排出する時に強制的排出を行い、且つ上記半導体基
   板に被覆された上記液状メタルが該半導体基板の溝への
   充満を助長することを特徴とする請求項３に記載のメタ
   ル成膜装置。
5. 【請求項５】 上記液状メタルの金属材料は、成膜時
   に、Ｃｕ−Ｃｄ合金（Ｃｄ：１．３％）、Ａｇ−Ｃｕ合
   金（Ｃｕ：７．５〜２８％）、Ａｇ−Ｐｄ合金（Ｐｄ：
   ３〜４５％）のいずれかになるからなることを特徴とす
   る請求項１、請求項２及び請求項３に記載のメタル成膜
   装置。
6. 【請求項６】 上記液状メタルの金属材料が溶媒に溶か
   された場合には、成膜時に、いずれかの上記合金になる
   ように金属がとけ込んだアルコキシドからなることを特
   徴とする請求項１、請求項２及び請求項３に記載のメタ
   ル成膜装置。
7. 【請求項７】 融点を超えて液体状態となった配線材料
   からなる液状メタルを半導体基板に滴下する若しくは、
   霧状にスプレーして該半導体基板表面を被覆し、上記液
   状メタルを固体化させることにより、配線となるメタル
   層を形成することを特徴とするメタル成膜方法。
8. 【請求項８】 溶媒に溶解されて液体状態となった配線
   材料からなる液状メタルを半導体基板に滴下する若しく
   は、霧状にスプレーして上記半導体基板表面を被覆し、
   上記液状メタルを固体化させることにより、配線となる
   メタル層を形成することを特徴とするメタル成膜方法。
9. 【請求項９】 半導体基板上に酸化シリコン（Ｓi
   Ｏ₂ ）からなる層間絶縁膜及び窒化シリコン（ＳｉＮ）
   からなるダミー配線により、多層配線を形成した後、上
   記ダミー配線を除去して空洞を形成し、 融点を超えて液体状態となった配線材料からなる液状メ
   タルを、真空環境下にある半導体基板上に被覆させて、
   上記空洞を液状メタルで充満させて固体化させることに
   より、多層配線を形成することを特徴とするメタル成膜
   方法。