JPH0279446A - スルーホールへの金属穴埋め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上の絶縁膜に基板の下地金属の一部を露
出させるために設けたスルーホールを、金属の選択ＣＶ
Ｄにより穴埋めする金属穴埋め方法に係り、特にＬＳＩ
に用いられる多層配線間接続用などの微細なスルーホー
ルを歩留まり良く金属で穴埋めするために好適なスルー
ホールへの金属穴埋め方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＨの高集積化に伴い、素子−配線間あるいは各配線
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、絶縁膜に微細なスルーホールを設け、このス
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幾つかの方法があ
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（Ｗ
）の選択ＣＶＤが実用上、最も期待されている方法であ
る。

タングステン（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（ｗＦ＆）ガスおよ
び水素（Ｈ２）ガス混合ガスを導入、接触させて、下記
のいずれかの反応により。

下地金属（ここではアルミニウム（Ａｌ）の場合を示す
。）上にタングステン（Ｗ）膜を成長させる方法である
。

ＷＦ、＋２Ａｕ−＋Ｗ＋２ＡＱＦ３　　　・・・（１）
ＷＦ、＋３Ｈ２→Ｗ＋　６　ＨＦ　　　　　　・・・（
２）Ｓｕｎ、等の絶縁１摸上では、（１）の反応は生起
せず、また（２）の反応も７００℃以下の温度では進行
しないため、タングステン（以下、ｒＷＪと記す。）が
アルミニウム（以下、「ＡＱ」と記す。）上でのみ選択
成長し、スルーホールの穴埋めが達成されることになる
。

Ｗの選択ＣＶＤに関するこれまでの記載文献としては、
例えば、セミコンダクター・ワールド（Ｓ　ｅｍｉｃｏ
ｎｄｕＣむｏｒ　Ｗｏｒｌｄ）　　１９８５年１２月号
６４−７１頁の記載あるいはジャーナル・オブ・ザ・エ
レクトロケミカル・ソサエティ第１３１巻（１９８４年
）１４２７−１４３３頁（Ｊ、Ｅ］、−ｅｃｔｒｏｃｈ
ａｍｉｃａｌ　５ｏｃｊ、ｅｔｙ　１３１　　（１９８
４）ｐｐ１４２７−１４３３）に記載のものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前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基地金属表面の処理につ
いて十分な配慮がなされておらず、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、また逆に、隣接す
るスルーホール間の短絡を生ずるなどの問題があった。

すなわち、スルーホールを形成した直後の下地金属表面
は、スルーホールを設けるために施したホトエツチング
プロセスに伴う汚れ′が付着していたり、酸化物、例え
ば下地金属ＡＱの場合ＡＱ２０．などが形成されている
ことなどにより清浄な而となっていないため、Ｗの成長
が進行せず。

導通不良の原因となる。

また、下地金属表面を清浄化する方法として、フッ酸（
ＨＦ）によるウェットエツチング処理、あるいはＡｒ”
イオンによるスパッタエツチング処理があるが、前者の
場合、フッ素により下地配線の腐食を生ずること、また
後者の場合、下地金属表面を物理的に除去するため、清
浄な下地金属面を露出させることはできるが、同時に、
飛散した下地金属がスルーホールの側壁部あるいは絶縁
膜表面に付着するため、Ｗの選択ＣＶＤにおいて、その
付着部でもＷの成長が進行し、そのＷ膜によって隣接ス
ルーホールが短終するなどの結果を生ずることになる。

さらに、絶縁膜上に形成されたＷ膜は剥離しやすいもの
であり、ウェハ上にごみとなって残り、歩留まり低下の
原因となる。

本発明の目的は、前記従来技術の問題を解決し。

選択性が良好で、露出下地と穴埋め金属間の導通性の良
好な穴埋めを実施得るスルーホールへの金属穴埋め方法
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的は、基板の下地金属の一部を露出させた露出下
地の前処理として、少なくとも水素（１−１、）ガスプ
ラズマによる還元処理を施した後、当該基板を大気中に
さらすことなく、当該基板に対して連続的に金属の選択
ＣＶＤ処理を行なうことにより、達成される。

また、前記目的は基板の下地金属として、ＡＱを主成分
としたものを用いることにより、より一層良好に達成さ
れる。

さらに、前記目的は水素（以下、ｒＨ２Ｊと記す。）プ
ラズマの生起に、Ｈ２ガスにＡｒ、Ｋｒ等の希ガス、Ｃ
Ｑ、等のハロゲンガス、ｃｃｐ、、。

ＣＦ、、　ＮＦ、等のハロゲン化合物ガスを添加したガ
スを使用することにより、より有効に達成される。

〔作用〕

本発明では、多層配線を形成するために設けられたスル
ーホールの露出下地の金属膜の表面に存在する酸化膜あ
るいは汚れ付着物が、Ｈ２ガスプラズマにさらされるこ
とにより還元され、除去される。その後、大気にさらす
ことなく連続的に前記したＷ等の選択ＣＶＤ処理を施す
ことにより、清浄な下地金属の表面に金属が堆積するた
め、導通抵抗の低い配線間の接続が可能となり、露出下
地と穴埋め金属の間の導通性の良好な穴埋めを行なうこ
とができる。

また、本発明では基板の下地金属として、ＡＱを主成分
とする金属を用いることにより、より一層良好に露出下
地と穴埋め金属間の導通性の良好な穴埋めを施すことが
可能となる。

さらに１本発明ではＨ２ガスプラズマの生起に、Ｈ２ガ
スにＡｒ、Ｋｒ等の希ガス、ＣＱ２等のハロゲンガス、
ＣＣＱ４．ＣＦ４．ＮＦｌ等のハロゲン化合物ガスを添
加したガスを使用し、プラズマ化して露出下地を前処理
することにより、Ｈ２ガスプラズマの還元作用に加え、
希ガスプラズマの物理的スパッタリング、ハロゲンガス
やハロゲン化合物ガスプラズマのケミカルエツチング作
用が生ずるため、露出下地の酸化膜や汚れ付着物が効果
的に除去され、したがってより効果的に露出下地と穴埋
め金属間の導通性の良好な穴埋めを行なうことができる
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図〜第３図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施例を示
すもので、第１図は本発明方法の一例を示すフローチャ
ート、第２図は本発明方法を実施するための装置の概要
を示す図、第３図（Ａ）。

（Ｂ）は本発明方法による処理を施す前と施した後の、
基板の下地金属の一部を露出させるために設けたスルー
ホール部分の拡大断面図である。

本発明方法を実施するための第２図に示す装置は、前処
理室１と、成膜室７とを有している。前記前処理室１と
、成膜室７とにわたって、基板搬送手段（図示せず）が
設けられている。前処理室１と成膜室７間には、ゲート
弁６が設けられている。　前記前処理室１および成膜室
７は、真空ポンプ（図示せず）により、例えば１０−′
３Ｐａ程度に真空排気されるようになっている。

前記前処理室１の内部には、上、下部に電極４゜５が配
置されている。前記電極４，５は、高周波電源３に接続
されている。また、前処理室１にはガス導入口を通じて
、この実施例ではＨ２ガスを供給し得るようになってい
る。そして、前記下部の電極５の上面には、処理すべき
基板２を載置するようになっている。

前記基板搬送手段は、前処理室１で処理された基板２を
大気にさらすことなく、ゲート弁６を通じて成膜室７へ
搬送するようになっている。なお、成膜室７に搬入され
た基板を第２図中に符号２ａを付けて示している。

前記成膜室７の上部には、基板２ａを所定温度に加熱す
るためのハロゲンランプ８と、ハロゲンランプ８の赤外
線を通す石英窓９とが設けられている。また、成膜室７
の内部には、基板２ａの支持体１０と、ガス導入口１２
と、遮光板１３とが配置されている。前記基板２ａの支
持体１０と、成膜室７の壁１１と、遮光板１３とは水冷
されており、その結果基板２ａの表面を除いて、成１漢
室７の内壁の表面温度は、実質的に成膜反応が進行しな
い温度まで低下している。さらに、成膜室７には前記ガ
ス導入口１２を通じて、この実施例ではＨ２ガスとＷＦ
、ガスとを供給し得るようになっている。

次に、前記装置を使用して実施するスルーホールへの金
屑穴埋め方法のプロセスを、第１図に従って説明する。

まず、前処理室１ではステップ２０により電極５上に処
理すべき基板２を設置する。

この基板２には、第３図（Ａ）に示すごとく、下地金属
としてのＡＱ配、１！１４上に、プラズマＣＶＤ法等に
より基板上の絶縁膜としてＳｉＯ２膜１５膜形５した後
、ホトエツチングによりスルーホール１６が設けられて
いる。このスルーホール１６は、例えば１μｍ角で深さ
１．２μｍの微細穴である。また、スルーホール１６に
はＡｆｌ配線１４上に、下地金属の一部を露出させた露
出下地としての、ＡＱの自然酸化膜１７が付着している
。

次に、第１図に示すステップ２１で前処理室１内を１Ｏ
−３Ｐａ程度まで真空排気する。

ついで、ステップ２２で前処理室１内にＨ２ガスを導入
する。

続いて、ステップ２３では高周波電源３により前処理室
１内の電極４，５に高周波電力を印加し、放電を生起さ
せ、Ｈ２ガスプラズマを発生させる。

これにより、基板２に前処理が施され、基板２の下地金
属の一部を露出させた露出下地としての、第３図（Ａ）
に示すＡＱの自然酸化膜１７がＨ２ガスプラズマの還元
処理により除去される。

前記ステップ２３で所定時間放電させた後、ステップ２
４でＨ，ガスの導入および高周波電力の印加を停止し、
放電を停止するとともに、前処理室１内の真空排気を停
止する。

次に、第１図に示すステップ２５で前処理室１と成膜室
７間に設けられたゲート弁６を開ける。

そして、前処理室１で前処理を施した基板２を大気にさ
らすことなく、基板搬送手段（図示せず）により前処理
室１から成膜室７内に搬送し、その基板２ａを成膜室７
内の支持体１０上に載置する。

基板２ａを支持体１０上に載置した後、基板搬送手段を
ゲート弁６から前処理室１内に戻し、ゲート弁６を閉じ
る。

その間、ステップ２６で成膜室７内を所定の真空度、例
えば１Ｏ−３Ｐａ程度に真空排気する。

ついで、ステップ２７で第１図に示すガス導入口１２を
通じて成膜室７内にＨ２ガスを導入する。

さらに、ステップ２８でハロゲンランプ８を点灯し、石
英窓９を通じて支持体１０上の基板２ａの表面に赤外線
を照射し、基板２ａを所定温度に加熱する。

基板２ａを所定温度に加熱し、た後、ステップ２９でガ
ス導入口１２から成膜室７内に、この実施例ではＨ２ガ
スにＷＦ、ガスを加えて導入する。

続いて、ステップ３ｏで基板２ａに対して金属の選択Ｃ
ＶＤ処理を行なう。この金属の選択ＣＶＤにより、第３
図（Ｂ）に示すように、下地金属の一部を露出させた露
出下地であるＡＱ配線１−４上に、Ｗを選択成長させ、
スルーホール１６をＷで穴埋めする。

この成膜室７での処理時には、基板２ａは水冷されてい
る支持体１０により支持され、また成膜室７の壁１１も
水冷され、さらに赤外線が成膜室７の壁１１に直接照射
されないように、水冷の遮光板１３で遮られている。こ
れにより、基板２ａの表面を除いて成膜室７の壁１１お
よび備品は実質的に成膜反応が進行しない温度に低下さ
れている。

前記ステップ３０によりＷを所定厚さに成長させた後、
ステップ３１でＨ２ガス、ＷＦＧガスの導入を停止させ
るとともに、第２図に示すハロゲンランプ８を消灯する
。

ついで、ステップ３２で真空排気を停止し、続いてステ
ップ３３でスルーホール１６をＷの選択ＣＶＤにより穴
埋めした基板２ａを冷却する。

基板２ａを冷却した後、最後にステップ３４により成膜
室７から基板２ａを取り出し、Ｗの穴埋め処理を終了す
る。

次に、前記プロセスにおける処理条件の具体的実施類、
を説明する。

〈実施例１〉 第２図に示すごとき装置を使用し、第１図に示すプロセ
スに従い、かつ次のような条件で処理した。

（１）前処理室での処理条件 ・高周波印加型カニ３００Ｗ −Ｈ２ガス流量　　：　１００ｓｅｃｍ・ガス圧力　　
　：　０　、５　Ｔｏｒｒ・処理時間　　　：　０　、
２．ｎ１ｎ（２）成膜室での処理条件 ・基板温度　　　＝４５０℃ ・ガス圧力　　　：　１　、５　Ｔｏｒｒ−ＷＦ、ガス
流量　：３ｓｅｃｍ ・Ｈ，ガス流量　　：　５００ｓｅｃｍ・処理時間　　
　：５ｍ１ｎ なお、基板としては、下地ＡＱ配線上でプラズマＣＶＤ
法等により５ｉｎ２膜を形成した後、ホトエツチングに
より１μｍ角の微細なスルーホール（深さ１．２μｍ）
を多数個開口させたテスト用基板を用いた。

この実施例１において、前処理を行なう前の基板では、
第３図（Ａ）に示すように、露出下地であるスルーホー
ル部分のＡＱ配線１４上にＡＱの自然酸化膜１７が付着
していた。

この自然酸化膜１７は、前処理室内でのＨ２ガスプラズ
マ処理によって除かれ、引き続いて成膜室内でＨ２ガス
とＷＦ、ガスとにより、基板に対してＷの選択ＣＶＤ処
理を施すことによって、第３図（Ｂ）に示すように、Ａ
Ｑ配線１４の上に直接Ｗ膜１８が成長し、スルーホール
１６を穴埋めすることができた。

この実施例１によりＷＩＩ１８で穴埋めを実施した基板
におけるスルーホール１６の導通部の導通抵抗は、１μ
ｍ角のスルーホール１個当り０．１〜０．１２Ωと良好
な値を示した。また、絶縁膜である５ｉｎ２膜１５上へ
のＷ膜の成長は見られず、選択性も良好であった。

〈実施例２〉 実施例１と同一の装置、基板を用い、Ｈ２ガろ★Ｃｕ２
２０％入りＨ２ガスに代え、第１図に示すプロセスに従
って処理を行なった。処理条件も実施例１と同様である
が、プラズマ処理時間はＱ　、　２　ｌｌｌ１ｎから０
　、１　ｍｉｎに短縮した。得られた金属穴埋め部分の
導通抵抗は１μｍ角のスルーホールに対し０．１〜０．
１２Ωと良好で、穴埋めの選択性も良好であった。

くその他の実施例〉 なお、本発明では前記実施例の装置１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成膜室およびＨ２ガスプラズマ処理が可能な前
処理室と、両者間を基板の真空搬送ができる基板搬送手
段を有するＷの選択ＣＶＤ装置全てについて、処理条件
を選ぶことにより使用できる。

また、Ｈ２ガスプラズマを生成する方法も平行平板電極
に高周波電力を印加させる方法の他、ＥＣＲマイクロ波
プラズマ法等、半導体プロセスに適用あるいは適用が検
討されている方法一般を用いることができる。

さらに、対象となる選択ＣＶＤの系および金属も前記実
施例のＷＦ、−Ｈ，系によるＷの選択ＣＶＤに限ること
なく、金属の選択ＣＶＤの可能なシステム、例えばＷＦ
ｒ、−８ｉｎ、系によるＷの選択ＣＶＤｔ　ＭｏＦｌ、
−Ｈ，系によるＭｏの選択ＣＶＤ。

アルキルＡＱを原料とするＡＱ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。

さらにまた、本発明ではＨ２ガスプラズマの生起に、Ｈ
２ガスにＡｒ、Ｋｒ等の希ガス、ＣＱ、等のハロゲンガ
ス、ＣＣＵ４．ＣＦ、、ＮＦ、等のハロゲンガスを添加
したガスを使用し、プラズマ化して露出下地を前処理し
ても良い。この場合には。

Ｈ２ガスプラズマの還元作用に加え、希ガスプラズマの
物理的スパッタリング作用、ハロゲンプラズマのケミカ
ルエツチング作用が生ずるため、基板の下地金属の酸化
膜や汚れ付着物を除去する作用を、より一層促進させる
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明の請求項１記載の発明によれば、基
板の下地金属の一部を露出させた露出下゛埠の前処理と
して、少なくともＨ３ガスプラズマによる還元処理を施
した後、当該基板を大気中にさらすことなく、当該基板
に対して連続的に金属の選択ＣＶＤ処理を行なうように
しているので、多層配線を形成するために設けられたス
ルーホールの露出下地の金属膜の表面に存在する酸化膜
あるいは汚れ付着物が、Ｈ２ガスプラズマにさらされる
ことにより還元されて除去され、その後大気にさらすこ
となく連続的に前記したＷ等の選択ＣＶＤ処理を施すこ
とにより、清浄な下地金属の表面に金属が堆積するため
、導通抵抗の低い配線間の接続が可能となり、露出下地
と穴埋め金属の間の導通性の良好な穴埋めを行ない得る
効果がある。

これにより、微細なスルーホールへの金属穴埋めが必要
なＬＳＩの多層配線の信頼性の向上に寄与するところ大
なる効果がある。

また、本発明の請求項２記載の発明によれば。

基板の下地金属として、ＡＱを主成分とする金属を用い
ることにより、より一層良好に露出下地と穴埋め金属間
の導通性の良好な穴埋めを施し得る効果がある。

さらに、本発明の請求項３記載の発明によれば。

Ｈ２ガスプラズマの生起に、Ｈ２ガスにＡｒ、Ｋｒ等の
希ガス、ＣＱ□等のハロゲンガス、ＣＣＵ４゜ＣＦ４．
　ＮＦ、等のハロゲン化合物ガスを添加したガスを使用
し、プラズマ化して露出下地を前処理することにより、
Ｈ２ガスプラズマの還元作用に加え、希ガスプラズマの
物理的スパッタリング、ハロゲンガスやハロゲン化合物
ガスプラズマのケミカルエツチング作用が生ずるため、
露出下地の酸化膜や汚れ付着物が効果的に除去され、し
たがってより効果的に露出下地と穴埋め金属間の導通性
の良好な穴埋めを行ない得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図（Ａ）、ＣＢ）は本発明の一実施例を示
すもので、第１図は本発明方法の一例を示すフローチャ
ート、第２図は本発明方法を実施するための装置の概要
を示す図、第３図（Ａ）。 （Ｂ）は本発明方法による処理を施す前と施した後の、
基板の下地金属の一部を露出させるために設けたスルー
ホール部分の拡大断面図である。 １・・・前処理室、２，２ａ・・・基板、３・・・高周
波電源、４．５・・・電極、７・・・成膜室、８・・・
ハロゲンランプ、１０・・・基板の支持体、１２・・・
ガス導入口、１３・・・遮光板、１４・・・ＡＱ配線、
１５・・・ＳｉＯ□膜、１６・・・スルーホール、１７
・・・ＡＱの自然酸化膜、１８・・・Ｗ膜、２０〜３４
・・・処理のステップ。 晃／囚 見２区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上の絶縁膜に基板の下地金属の一部を露出させ
   るために設けたスルーホールを、金属の選択ＣＶＤによ
   り穴埋めする金属穴埋め方法において、前記下地金属の
   一部を露出させた露出下地の前処理として、少なくとも
   水素（Ｈ＿２）ガスプラズマによる還元処理を施した後
   、当該基板を大気中にさらすことなく、当該基板に対し
   て連続的に金属の選択ＣＶＤ処理を行なうことを特徴と
   するスルーホールへの金属穴埋め方法。 ２、前記下地金属の主成分が、アルミニウム（Ａｌ）で
   あることを特徴とする請求項１記載のスルーホールへの
   金属穴埋め方法。 ３、前記水素（Ｈ＿２）ガスプラズマを生起させるため
   に使用するガスが、水素（Ｈ＿２）ガスに希ガス、ハロ
   ゲンガス、ハロゲン化合物ガスのうちの１つあるいはそ
   れらの混合物を添加したガ載のスルーホールへの金属穴
   埋め方法。