JP4362173B2

JP4362173B2 - Ｃｕ超微粒子独立分散液

Info

Publication number: JP4362173B2
Application number: JP22646499A
Authority: JP
Inventors: 正明小田; 暢哉今関; 洋幸山川; 裕彦村上
Original assignee: Ulvac Inc; Ulvac Materials Inc
Current assignee: Ulvac Inc; Ulvac Materials Inc
Priority date: 1998-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: JP2000123634A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ基板などの半導体基板の微細な配線を形成し、ビアホール、コンタクトホールを埋設するのに使用するＣｕ超微粒子独立分散液に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩ基板等の多層配線を形成する際に、導電性の均一な微細パターンを形成する金属ペーストとして、炭素数５以上のアルコール類、又は有機エステル類を含有する有機溶媒中に粒径１０００Å（０．１μｍ）以下の金属超微粒子がその表面を該有機溶媒で覆われて個々に均一に分散しているものが知られている（例えば、第２５６１５３７号特許公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来技術の金属ペーストにおいては、次のような問題があった。すなわち、ＬＳＩ基板の配線幅が０．２５μｍ、０．１８μｍと微細化が進む中で、塗布された金属ペーストが配線溝内を十分に埋設する前に乾燥が始まったり、また粘度が高いために、微細な溝内部を完全に埋設することが困難となっていた。
【０００４】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ＬＳＩ基板の微細な配線溝、ビアホール、コンタクトホール等を完全に埋設することができ、導電性の均一な微細パターンを形成することができるＣｕ超微粒子独立分散液を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＣｕ超微粒子独立分散液は、粘度が５０ｃＰ以下であり、室温で蒸発し難くかつ半導体基板上にＣｕ配線を形成する際の乾燥・焼成工程で蒸発するような有機溶媒と、粒径０．０１μｍ以下のＣｕ金属含有超微粒子とを混合して形成され、該超微粒子の表面が該有機溶媒で覆われて個々に独立して分散しているものである。該有機溶媒は、１５０℃以上で蒸発するものである。該有機溶媒は、ミネラルスピリット、トリデカン、ドデシルベンゼン若しくはそれらの混合物、又はそれらにα−テルピネオールを混合したものである。その他に、炭素数５以上の炭化水素（例えば、ピネン等）、アルコール（例えば、ｎ−ヘプタノール等）、エーテル（例えば、エチルベンジルエーテル等）、エステル（例えば、ｎ−ブチルステアレート等）、ケトン（例えば、ジイソブチルケトン等）、有機窒素化合物（例えば、トリイソプロパノールアミン等）、有機ケイ素化合物（シリコーン油等）、有機イオウ化合物若しくはそれらの混合物を、使用するＣｕ分散液の用途によって適宜混合する。前記Ｃｕ金属含有超微粒子は、Ｃｕ、ＣｕＯ又は該ＣｕとＣｕＯとの混合物からなる超微粒子である。また、前記Ｃｕ金属含有超微粒子の濃度は、５〜７０ｗｔ％、好ましくは１５〜５０ｗｔ％である。該粒子の濃度が７０ｗｔ％を超えると、粘度が高くなりすぎ、また、該粒子の濃度が５ｗｔ％未満だと膜厚が小さすぎるという問題がある。前記Ｃｕ超微粒子独立分散液の粘度は２０℃で５０ｃＰ以下、好ましくは１０ｃＰ以下である。前記Ｃｕ超微粒子独立分散液は、Ｃｕ金属含有超微粒子以外にＣｕへの溶解度が低く、かつ半導体基板の基材と反応しやすい金属又はこれらの金属を含む化合物を少なくとも一種含有していてもよく、これにより基材との密着性が向上する。このＣｕ金属元素以外の金属の具体的な例としては、例えば、Ｍｇ、Ａｌ、Ｂ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶから選ばれる金属又はこれら金属を含む化合物が挙げられる。これらの金属を含む化合物には、例えば(Ｃ₁₇Ｈ₃₅ＣＯＯ)₂Ｍｇ等が挙げられる。これらの金属又は金属含有化合物のＣｕ超微粒子独立分散液への添加量は、超微粒子の全重量基準で、０．５〜５ｗｔ％である。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明のＣｕ超微粒子独立分散液の実施例をその分散液の使用例と共に説明する。
（実施例１）
ヘリウム圧力０．５Ｔｏｒｒの条件下でＣｕを蒸発させ、ガス中蒸発法によりＣｕの超微粒子を生成する際に、生成過程のＣｕ超微粒子にミネラルスピリットの蒸気を接触させて冷却回収し、溶媒中に独立した状態で分散している平均粒子径０．００８μｍのＣｕ超微粒子を２０ｗｔ％含有するＣｕ超微粒子独立分散液を作製した。この分散液は粘度が室温で５ｃＰであった。
【０００７】
次いで、上記Ｃｕ超微粒子独立分散液を用いて、Ｓｉ基板上に設けられたビアホールを処理した。このＳｉ基板に形成されている絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜には孔径０．１５μｍ（アスペクト比５）、０．２５μｍ（アスペクト比４）のビアホールが開けられており、ビアホールの内表面を含む基板の表面にはスパッタにより、ＷＮのバリヤ膜が厚さ０．０２μｍで形成されており、またこのバリヤ膜の表面にはスパッタによりＣｕのシード膜が形成されている。
【０００８】
上記の基板をスピンコータにセットして５００ｒｐｍで回転させ、その上方から室温で上記のＣｕ超微粒子独立分散液を滴下することによって、スピンコーティングした。ビアホール内にはこの分散液が充填され、基板の表面には平坦な該分散液の液膜が形成された。この状態の基板を１０^-2Torr以下の真空中、２５０℃の温度で、２分間加熱して有機溶媒を蒸発させ、次いで温度を３００℃に上げて、ＣＯ₂ガス７６０Ｔｏｒｒ雰囲気中で、６０分間焼成した。さらに、温度を４００℃に上げて、不活性ガス中で３０分間焼成した。かくして、Ｃｕ超微粒子が相互に融着して、ビアホール内がＣｕで空洞なく埋め込まれた縮みや割れのないＣｕ薄膜が形成された。次いで、該ビアホールの内部以外のＣｕ膜をＣＭＰ処理したところ、基板表面の余分なＣｕが除去され、ビアホール内に平坦な表面を有するＣｕ薄膜が形成された。その比抵抗は２．０μΩｃｍであった。
（実施例２）
１Ｔｏｒｒのヘリウムガス中に０．０１ＴｏｒｒのＯ₂ガスを混合した雰囲気下でＣｕを蒸発させてＣｕＯの超微粒子を生成し、ドデシルベンゼンとフタル酸ジエチルとの混合蒸気に接触させて冷却し、平均粒径０．０１μｍのＣｕＯ超微粒子を２５ｗｔ％含有する粘度１０ｃＰ（２０℃）のＣｕＯ超微粒子独立分散液を作製した。また、このＣｕＯ超微粒子独立分散液と実施例１で作製したＣｕ超微粒子独立分散液とを混合して、粘度７ｃＰ（２０℃）のＣｕ、ＣｕＯ混合分散液を作製した。
【０００９】
次いで、上記分散液を用いて、実施例１と同様にして室温で基板のビアホールを埋め込み、Ｃｕ膜を形成したところ、得られた薄膜は、いずれも焼結後も縮みや割れが生じることもなく、その比抵抗は２．０μΩｃｍであった。
（実施例３）
実施例１におけるＣｕ超微粒子独立分散液の代わりに、トリデカンとフェネトールとの混合溶媒に５０ｗｔ％のＣｕ超微粒子を分散させたＣｕ超微粒子独立分散液にＭｇ、Ａｌ、Ｂ、Ｔａ、Ｎｂ又はＶの有機化合物の添加されたものを、実施例１と同様にして作製した。この分散液の粘度は２０℃で１０ｃＰであった。
【００１０】
次いで、これらの分散液を用いて、ＷＮのバリア膜とＣｕシード膜を形成する工程を省き、他は実施例１と同様にして基板のビアホールを埋め込み、Ｃｕ膜を形成したところ、得られた薄膜は、焼結後も及びＣＭＰによる平坦化処理工程中も縮みや割れが生じることもなく、基板との密着性も良好であり、その比抵抗は２．１μΩｃｍであった。
（実施例４）
実施例１のミネラルスピリットにα−テルピネオールを混合した溶媒中に分散させた粘度５０ｃＰ（２０℃）のＣｕ超微粒子独立分散液を作製し、これを用いて、Ｓｉ基板上に配線パターンを形成した。このＳｉ基板に形成されている絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜には幅０．２５μｍ、深さ１μｍ（アスペクト比４）の溝がパターン状に形成されており、溝の内表面を含む基板の表面にはスパッタにより、ＷＮバリヤ膜が厚さ０．０２μｍで形成されており、またこのバリヤ膜の表面にはスパッタによりＣｕのシード膜が形成されている。
【００１１】
上記の基板をスピンコータにセットして５００ｒｐｍで回転させ、その上方から上記のＣｕ超微粒子独立分散液を滴下することによって、スピンコーティングした。パターン状の溝内にはこの分散液が充填され、基板の表面には平坦な該分散液の液膜が形成された。この状態の基板を１０^-2Torr以下の真空中、２５０℃の温度で、２分間加熱して有機溶媒を蒸発させ、次いで温度を３００℃に上げて、不活性ガス雰囲気中で、Ｈ₂Ｏガスの存在下（Ｈ₂Ｏ分圧：１０Torr）、６０分間焼成した。さらに、温度を４００℃に上げて、Ｈ₂Ｏを除去した不活性ガス中で３０分間焼成した。かくして、Ｃｕ超微粒子が相互に融着して、溝内がＣｕで空洞なく埋め込まれた縮みや割れのないＣｕ薄膜が形成された。次いで、該溝の内部以外のＣｕ膜をＣＭＰ処理したところ、基板表面の余分なＣｕが除去され、溝内に平坦な表面を有するＣｕ薄膜が形成された。その比抵抗は２．０μΩｃｍであった。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のＣｕ超微粒子独立分散液によれば、ＬＳＩ基板の微細な配線溝、ビアホール、コンタクトホール等を完全に埋設することができ、導電性の均一な微細パターンを形成することができる。

Claims

１５０℃以上で蒸発するミネラルスピリット、トリデカン、ドデシルベンゼン若しくはそれらの混合物、又はそれらにα−テルピネオール又は炭素数５以上の炭化水素、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、有機窒素化合物、有機ケイ素化合物、有機イオウ化合物、又はその混合物を混合した有機溶媒と、粒径０．０１μｍ以下のＣｕ、ＣｕＯ又は該ＣｕとＣｕＯとの混合物からなるＣｕ金属含有超微粒子とを混合して形成され、該超微粒子の表面が前記有機溶媒で覆われて個々に独立して分散しており、該超微粒子の濃度が５〜７０ｗｔ％であって、粘度が５０ｃＰ以下であることを特徴とするＣｕ超微粒子独立分散液。
前記Ｃｕ超微粒子独立分散液が、前記Ｃｕ金属含有超微粒子以外にＣｕへの溶解度が低く、かつ半導体基板の基材と反応しやすいＭｇ、Ａｌ、Ｂ、Ｔａ、Ｎｂ及びＶから選ばれる少なくとも１つの金属又はこれらの金属を含む少なくとも１つの化合物を含有していることを特徴とする請求項１記載のＣｕ超微粒子独立分散液。