JPH0426769A

JPH0426769A - 銅薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH0426769A
Application number: JP13134390A
Authority: JP
Inventors: Riyouichi Hazuki; 巴月　良一; Hiroyuki Yano; 博之矢野; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1992-01-29

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は半導体装置の製造方法に係わり、特に銅薄膜の
形成方法に関する。

（従来の技術）近年、半導体装置の高集積化に伴い、回路の微細化は進
む一方であり、配線においても微細化及び多層化が急速
に進んでいる。

現在、配線材料として、比抵抗が２．７５μΩ・■と低
い理由からアルミニウムやアルミニウムを主成分とする
アルミニウム合金等が用いられている。

しかしながら、このアルミニウムやその合金等を用いた
配線にはエレクトロマイグレーションの問題がある。即
ち、前述したアルミニウムやその合金等はエレクトロマ
イグレーションに対する耐性が小さく、この材料を用い
た配線は、微細化するにつれ電流密度が増加してしまう
。その結果エレクトロマイクレージョンが起こり、配線
の断線が生じやすい。

また、半導体装置の製造工程で生ずる熱により前記材料
を用いた配線に熱ストレスが生じ、この結果ストレスマ
イクレージョンが起こって配線が断線しやすいという問
題もある。

そこで、アルミニウムよりも低い比抵抗を有しかつアル
ミニウムよりも融点が高く、さらにこれよりエレクトロ
マイグレーションおよびストレスマイグレーシミンに優
れた銅あるいは銅を主成分とする合金を配線材料として
用いることが注目されている。

従来、前述した銅やその合金からなる薄膜を形成する場
合、アルミニウムやその合金と同様にスパッタリング法
が用いられてきた。しかしながら、このスパッタリング
法には次の問題があった。前述したように、配線の微細
化および多層化が進んできており、このため薄膜を形成
しようとする基体表面の平滑性が悪くなり、また基体中
に開口された配線間接続孔のアスペクト比が高くなる。

第６図は従来のスパッタリング法による銅薄膜の形成方
法を示したもので、基板６１上に表面に段差を有する絶
縁膜６２を形成し、さらにこの絶縁膜６２表面に銅薄膜
６３をスパッタリングで被着した時点での断面図である
。この図に示すように、絶縁膜６２上に、銅薄膜６３は
段差被覆性悪く形成される。

ここで銅薄膜６３は所望の形状に加工され配線として使
用される。ところがこのような基体を銅薄膜で被覆し配
線を形成する場合、配線の断線が生じてしまい、もはや
配線として機能しないものとなり、その結果半導体装置
の信頼性が低下するという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来の銅薄膜の形成方法は、基体を銅薄膜
で被覆し配線を形成する場合に配線の断線が生じやすく
、従って半導体装置の信頼性が低下するという問題があ
った。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、配線の
断線が生じない段差被覆性の良い銅薄膜の形成方法を提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）前述した問題を解決するため本発明は、シクロペンタジ
ェニル系銅化合物を加熱により分解して、試料上に銅薄
膜を堆積することを特徴とする銅薄膜の形成方法を提供
する。ここで銅薄膜とは純銅及び純銅を主とする金属材
料を指し、銅に少量の不純物例えばＣ，Ｐ、　Ｓｉ、　
０等を含んだ材料も含む。

（作　用）本発明による銅薄膜の形成方法であれば、シクロペンタ
ジェニル系銅化合物を加熱して分解せしめ、試料上に銅
薄膜を堆積する事ができる。この堆積は試料表面に対す
る表面吸着過程を律速として進行するので、堆積は試料
表面で均一に進行して、その結果銅薄膜の段差被覆性が
良好となる。

従って、この後この薄膜を加工して配線を形成する場合
に配線の断線不良が生じない。

（実施例）以下、本発明の詳細を実施例によって説明する。

第１の実施例第１図は本発明による銅薄膜の形成方法の一実施例を示
す工程断面図、第２図は本発明の第１の実施例に係わる
銅薄膜の形成方法に用いられる薄膜形成装置の断面図で
ある。膜形成方法の前に、先ず装置を説明する。

第２図に示すように、真空容器１の底部にはヒータ２を
具備した試料台３が設置されており、この試料台３上に
試料となる基板４が載置される。

また、真空容器１は排気口５を介して真空排気される。

一方、恒温槽６が真空容器１の外部に設けられ、この恒
温槽６内には容器７が収納される。この容器７内にはシ
クロペンタジェニルトリエチルホスフィン鋼化合物（（
ＣｓＨｓ）［Ｃｕ）［（Ｃｚｌ（５）ａＰ））の粉末原
料８が充填されており、この原料８を加熱し蒸発させた
後、その蒸発物質を導入管９を介して真空容器１内の試
料基板４上に導入する。この基板４はヒーター２により
予め加熱され、その表面で蒸発物質が吸着分解し銅薄膜
が基板４上に形成される。

尚ここでは、真空容器１内は０．０１Ｐａ程度の真空に
排気できるようになっている。また、前記試料台３上の
基板４はヒータ２により２００〜４００℃程度に加熱す
ることができる。また、蒸発物質の容器１内への導入量
は導入管９に設けたバルブ１０を介して調整可能である
。さらにまた、真空容器１および排気口５や導入管９の
外側はヒータ１１によって加熱可能であり、蒸発物質が
これらの内面で凝縮することを防いでいる。

次に、第２図に示した薄膜形成装置を用いて表面に微細
な段差溝部を有する基板上に銅薄膜を形成する本発明に
よる銅薄膜の形成方法を説明する。

まず第１図（（１）に示すようにシリコン基板１２上に
膜厚２頗のシリコン酸化膜】３を形成し、このシリコン
酸化膜１３に対し、マスク（図示せず）を用いて反応性
イオンエツチング法により例えば幅１．５μｓ、深さ１
μｍの溝を掘った後、マスクを除去し、試料４を形成す
る。

次に、シクロペンタジェニル１〜リエチルホスフイン銅
化合物の粉末原料８を第２図に示した容器７内に導入し
、この原料を恒温槽６内で１００℃に加熱し、前記銅化
合物の蒸発物質をこの試料４の置かれた真空容器１内に
導入する。一方試料４は試料台３に配設されたヒータ２
によって３００℃に加熱されている。この熱により前記
蒸発物質はＣ３Ｈ５と（Ｃ２Ｈ５）３ＰとＣｕとに分解
し、そのうちＣｕのみが試料４上に残る。こうして第１
図（ｂ）に示すように銅薄膜１４が試料４表面に０．５
／７ｆｆ＋の厚さで形成される。この図に示すように銅
の薄膜１４の段差被覆性はスパッタリング法により形成
する場合と比較して非常に良好である。

この実施例方法によって、シクロペンタジェニルトリエ
チルホスフィン銅化合物から、炭素や酸素や燐等の不純
物が少なく９９％以上の純度を有する、電気抵抗の小さ
な銅の薄膜を形成できる。ここでこれらの不純物のうち
炭素や燐は主に結晶粒界部に存在し、酸素は主に薄膜表
面に存在していた。また、Ｘ線回折法により測定した結
果、この銅の薄膜は極めて（１００）配向性の強い銅の
結晶からなっていた。

また、この実施例において前記シクロペンタジェニルト
リエチルホスフィン銅化合物の蒸発物質を真空容器１内
に導入する時の圧力は　１〜１００ｍＴｏｒｒ程度が好
ましい。

第」！す１糺件次に水素プラズマを用いた本発明による銅薄膜の形成方
法に係る第２の実施例について説明する。

第３図は本実施例による銅薄膜の形成方法に用いられる
薄膜形成装置を示す断面図である。なお、以下の図にお
いて第２図と同一の部分には同一の符号を付して示し詳
細な説明は省略する。

この図に示すようにこの実施例装置は第２図の実施例装
置の構成に加え水素プラズマ供給手段を備えている。す
なわち、試料基板４を載置するための試料台が第１の電
極２１を兼ねており、真空容器１の内壁とこの第１の電
極２１との間に例えば１．３．５６ＭＨｚの高周波電圧
を印加すべくブロッキングダイオード２２を介して接続
された高周波電源２３と、水素ガス導入口２４とが配設
されており、試料基板４表面の近傍で水素プラズマが供
給せしめられるようになっている。

このように、水素プラズマを基板表面近傍に供給しつつ
、シクロペンタジェニルトリエチルホスフィン銅化合物
を用い、前記第１図の実施例と同様の方法で銅薄膜を形
成した。

この場合、第１の実施例と同様に段差被覆性が良好な銅
薄膜を得ることができ、また、炭素や酸素や燐等の不純
物がさらに少なく９９％以上の純度を有する、電気抵抗
の小さい銅薄膜を得ることができた。

これは、基板表面近傍で水素プラズマによって、シクロ
ペンタジェニルトリエチルホスフィン銅化合物の蒸発物
質の分解が促進されたためと考えられる。また、水素プ
ラズマを用いると、真空容器１内の残存酸素を除去でき
、酸素混入のない銅薄膜を形成することができる。なお
、この実施例において、プラズマを起こす手段としてマ
イクロ波を用いても同様の効果が得られる。

第３の実施例次にエネルギービームを用いた本発明による銅薄膜の形
成方法の第３の実施例について説明する。

第４図は本実施例による銅薄膜の形成方法に用いられる
薄膜形成装置を示す断面図である。この図に示すように
この実施例の装置は、第２図に示した薄膜形成装置の構
成に加えエネルギービーム発生手段を備えている。すな
わち、試料４を載置するための試料台３の上方にアルゴ
ンイオンビーム（エネルギービーム）発生源３０を配設
したもので、他の部分については第２図に示した装置と
同様である。

このように、基板表面近傍にエネルギービームを供給し
つつ、シクロペンタジェニルトリエチルホスフィン銅化
合物を用い、前記第１図の実施例と同様の方法で銅薄膜
を形成した。この場合、第１の実施例の方法よりさらに
膜質の良好な銅薄膜を形成することが可能となる。

なおこの実施例において、アルゴンイオンビームに限ら
ず他のイオンビームや電子ビームや可視光、紫外線、Ｘ
線等の電磁波やレーザービーム等をエネルギービームと
して用いることができる。

また、前述した第１乃至第３の実施例で用いた装置にお
いて、容器７内のシクロペンタジェニルトリエチルホス
フィン銅化合物の粉末原料８の蒸売物質を試料基板４上
に導くに際し、水素ガス、窒素ガス、或は不活性ガス例
えばアルゴンガスをキャリアガスとして用いてもよい。

この場合、キャリアガスの流れる配管を前記粉末原料８
の中に差し込み、配管を流れるキャリアガスにより粉末
原料８の蒸発物質を真空容器１内に導入する。

さらに、容器７と真空容器１の導入管９の途中に、この
導入管９のガス流域面積より大きな流域面積を有するバ
ッファを設けておき、粉末原料８の蒸発物質の流量を制
御し安定化させると効果的である。

さらにまた、導入管９の流域面積を容器７側から真空容
器１側に向かって大きくすると、粉末原料８の蒸発物質
が凝縮しにくくなるのでさらによい。

第４の実施例第５図は本実施例による銅薄膜の形成方法に用いられる
薄膜形成装置を示す断面図である。この図に示す装置が
第２図に示した装置と異なる点は、シクロペンタジェニ
ルｌ−リエチルホスフィン銅化金物の粉末原料８の蒸発
物質を真空容器１内に導入するために用いる恒温槽６、
容器７、導入管９及びバルブ１０を真空容器１の外部に
設けずに、真空容器１内の雰囲気ガスの導入口４０を真
空容器１の側壁部に設けた点である。

次にこの実施例装置を用いて試料基板４上に銅薄膜を形
成する方法について説明する。まず、導入口４０から真
空容器１内に水素ガスを導入するとともに、排気口２５
により真空容器１内の排気を行って容器内を０．０１．
Ｐａ程度の圧力にする。次に、試料基板４上にシクロペ
ンタジェニルトリエチルホスフィン銅化合物のアルコー
ル溶液４１を盛り試料台３に配設されたヒータ２によっ
て試料基板４を２００〜４００℃に加熱する。加熱によ
りアルコールは蒸発するとともに、シクロペンタジェニ
ルトリエチルホスフィン銅化合物は分解して銅の薄膜が
試料基板４上に段差被覆性良く形成される。なおここで
、水素ガスの代わりに窒素ガスやアルゴンを用いてもよ
い。

さらに、前述したシクロペンタジェニルトリエチルホス
フィン銅化合物のアルコール溶液の代わりにシクロペン
タジェニルトリエチルホスフィン銅化合物の粉末体やプ
レスによる成形体の薄膜を用いてもよく、同様に銅の薄
膜が試料基板４上に段差被覆性良く形成される。ここで
、この成形体の薄膜をプレス成形により形成した後、試
料上に載置して加熱してもよい。また試料上にこの銅化
合物の粉末を載せた後、プレス成形して成形体の薄膜を
形成し、これを加熱してもよい。

なお、本発明は上述した第１乃至第４の実施例に限定さ
れるものではない。以上の実施例では、銅薄膜を配線に
加工して使用したが、これ以外例えば、電極、コンタク
トホール内への埋め込み部等に加工しても良い。また、
シクロペンタジェニル系銅化合物としてシクロペンタジ
ェニルトリエチルホスフィン銅化合物を用いたが、この
代わりとしてホスフィン（Ｐ）がＡｓやｓｂやＢｉのよ
うな５族の元素に置き換わったものや、さらにはエチル
基（Ｃ２１ｂ）がアルキル基に置き換わった様な材料で
もよい。さらにまた、シクロペンタジェニル（ｃｓｏｓ
）２つが銅イオンに配位した化合物であってもよい。

さらにシクロペンタジェニルは５員環構造であるが、６
員環構造のものに置き換わった化合物であってもよい。

また、シリコン酸化膜上に銅の薄膜を形成する場合に限
らず、半導体装置に用いられる電極或は配線等の金属材
料例えばアルミニウム、タングステン、モリブデンなど
の上、或は絶縁膜例えばシリコン窒化膜や窒化アルミニ
ウム等の上にも形成できる。

また、例えば基板を熱エネルギーで加熱する代わりに、
イオンビームや電子ビーム等の粒子ビームを照射して加
熱しても本発明は有効である。この場合は試料表面で局
所的な分解反応が起きるので、所望の微細領域にのみ選
択的に銅薄膜を形成することが可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で１種々変形可
能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明による銅薄膜の形成方法によ
れば、段差被覆性が良好な銅の薄膜が形成でき、銅を配
線として用いた場合の断線不良が起こらず配線の信頼性
が大幅に向」ニする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による銅薄膜の形成方法の一実施例、第
２図は本発明の第１の実施例に係わる銅薄膜の形成方法
に用いられる薄膜形成装置の断面図、第３図、第４図及
び第５図は本実施例による銅薄膜の形成方法に用いられ
る他の薄膜形成装置を示す断面図、第６図は従来のスパ
ッタリング法による銅薄膜の形成方法の問題点を説明す
る説明図である。１・・・真空容器、　　　　２・・ヒータ、３・・試料
台、　　　　４・・・試料基板、５・・・排気口、　　
　　６・・恒温槽、７・・・容器、８・・シクロペンタジェニルトリエチルホスフィン銅化
合物の粉末原料。９・・・導入管、　　　　１０・・・バルブ、１１・・
ヒータ、　　　　　１２・・シリコン基板、１３・・シ
リコン酸化膜、１４・・・銅薄膜、２１・第１の電極、２２・・ブロッキングダイオード、２３・・高周波電源、　　２４・・・水素ガス導入口、
３０・・・アルゴンイオンビーム（エネルギービーム）発生源。４０・・・真空容器１内の雰囲気ガスの導入口、４１・
・・シクロペンタジェニルトリエチルホスフィン銅化合
物のアルコール溶液、６１・・・基板、　　　　　６２
・・・絶縁膜、６３・・・銅薄膜。代理人　弁理士　　則　近　憲　佑

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シクロペンタジエニル系銅化合物を加熱により分
解して試料上に銅薄膜を堆積することを特徴とする銅薄
膜の形成方法。
（２）前記試料上に水素プラズマを供給しながら前記銅
薄膜を堆積することを特徴とする請求項（１）記載の銅
薄膜の形成方法。
（３）エネルギービームを前記試料上に照射しながら前
記銅薄膜を堆積することを特徴とする請求項（１）記載
の銅薄膜の形成方法。
（４）前記シクロペンタジエニル系銅化合物はシクロペ
ンタジエニルトリエチルホスフィン銅化合物であること
を特徴とする請求項（１）記載の銅薄膜の形成方法。