反応性水素プラズマによる選択励起有機金属を用いたAl選択成長の研究

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 02214203
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 坪内 和夫 東北大学, 電気通信研究所, 助教授 (30006283)
• 研究分担者: 益 一哉 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (20157192)
• キーワード: プラズマ / 超LSI / 配線 / Al / CVD / 選択成長 / 有機金属 / 平坦化

研究概要

超LSIは、微細化により高速化、高密度化を実現してきた。最小寸法がサブミクロン以下になるに従って、高信頼性確保のため配線金属Alへの要求は、ますます厳しくなっている。高信頼Al配線には、ビアホ-ルを完全に平坦化して堆積する技術とAl膜の膜質向上が必要である。我々は、原料ガスに有機金属TMA[Al_2(CH_3)_6]と水素を用いて、電子温度、電子密度を制御した水素プラズマでTMAを表面で反応し易いAl(CH_3)_2やAl(CH_3)に選択的に励起する「選択励起プラズマビ-ムCVD法」を開発し、高純度Al堆積、導電性基板表面上への選択堆積を実現してきた。
本年度は、原料ガスにHを含み、且つCH_3基の数の少ないDMAH[(CH_3)_2AlH]を用いた単結晶Al選択成長、及びプラズマを用いた選択/非選択成長制御によるビアホ-ル完全平坦化堆積を実現した。
<(1)単結晶Al選択成長>___ー
結晶性、表面モルフォルジ-ともに優れたAlは反応管圧力1.2Torr、基板温度270℃の時得られた。Al膜中には炭素、酸素不純物は含まれず、Al膜の抵抗率は3μΩcmであった。
熱CVDでは、AlはSi基板上のみに選択的に堆積し、孔径約0.8μm、深さ約1μmのビアホ-ルを完全にAlで埋め込むことができた。Alをビアホ-ル深さ以上に意識的にoverーgrowthさせたところ、overーgrowth部分は単結晶を端的に示す結晶面が現れ、AlとSi基板の方位関係は、(100)Al/(111)Si、(111)Al/(100)Siであった。また、新たに開発した走査形μーRHEED顕微鏡でも、選択成長Alが単結晶であることを確認した。
<(2)プラズマを用いた選択/非選択成長制御によるビアホ-ル完全平坦化>___ー
本研究では、SiO_2等の非導電性基板表面上にAlを堆積する方法として、プラズマを用いる方法を見い出した。水素雰囲気中でウエハを加熱し、H_2とDMAHを流した状態でプラズマを発生させ、プラズマを停止後、DMAHとH_2による熱CVD法でAlを堆積させるという手法である。SiO_2上へAlを堆積させるために必要なプラズマ電力は、0.04〜0.4W/cm^3、印加時間は10秒以上である。プラズマ印加時に非導電性表面全体に、Alの積薄層もしくは核が形成され、この極薄層または核を基にして、その後熱CVD法でAlが堆積する。プラズマを用いた非常に簡単な方法で、初めて選択/非選択堆積制御することが可能となった。Al選択成長と非選択成長を連続的に行い、サブミクロンビアホ-ルの完全平坦化堆積を実現した。さらに、Al選択成長メカニズムとして、基板表面の自由電子の関与した表面電気化学反応による表面タ-ミネ-ト水素原子が遺伝的に伝達するモデルを提案した。
以上、研究計画に沿って研究を遂行し、サブミクロン超LSI用高信頼Al配線堆積技術を開発した。

研究成果

• [文献書誌] K.Tsubouchi,K.Masu,N.Shigeeda,T.Matano,Y.Hiura,S.Matsumoto,T.Asaba,T.Marui,and T.Kajikawa.: "Selective and Nonselective Deposition of Aluminum by LPCVD Using DMAH and Microregion Obsevation of Single Crystal Aluminum with Scanning μーRHEED Microscope," 1990 Symposium on VLSI Technology (Honolulu,1990). 5-6 (1990)
• [文献書誌] K.Masu,K.Tsubouchi,N.Shigeeda,T.Matano,and N.Mikoshiba,: "Selective Deposition of Aluminum from SelectivelyーExcited Metalorganic Source by the rf Plasma," Appl.Phys.Lett.56. 1543-1545 (1990)
• [文献書誌] K.Tsubouchi,K.Masu,N.Shigeeda,T.Matano,Y.Hiura,and N.Mikoshiba,: "Complete Planarization of Via Holes with Aluminum by Selective and Nonselective Chemical Vapor Deposition," Appl.Phys.Lett.57. 1221-1223 (1990)
• [文献書誌] K.Masu,K.Tsubouchi,Y.Hiura,T.Matano and N.Mikoshiba,: "Single Crystallization of Aluminum on SiO_2 by Thermal Annealing and Observation with Scanning μーRHEED Microscope," Extended Abstracts of the 22nd (1990 International) Conference on Solid State Devices and Materials (Sendai,1990). 247-250 (1990)
• [文献書誌] N.Suzuki,K.Masu,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba,: "Planarized Deposition of High Quality Silicon Dioxide Film by Photoassisted plasma CVD at 300℃ Using Tetraethyl Orthsilicate," Extended Abstracts of the 22nd (1990 International) Conference on Solid State Devices and Materials (Sendai,1990). 243-246 (1990)
• [文献書誌] N.Suzuki,K.Masu,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba,: "Planarized Deposition of High Quality Silicon Dioxide Film by Photoassisted plasma CVD at 300℃ Using Tetraethyl Orthsilicate," Jpn.J.Appl.Phys.29. L2341-L2344 (1990)
• [文献書誌] K.Masu,K.Tsubouchi,Y.Hiura,T.Matano and N.Mikoshiba,: "Single Crystallization of Aluminum on SiO_2 by Thermal Annealing and Observation with Scanning μーRHEED Microscope," Jpn.J.Appl.Phys.30. L56-L59 (1991)
• [文献書誌] 益 一哉、坪内 和夫、俣野 達哉、樋浦 洋平、御子柴宣夫、: "DMAHとH_2を用いた選択/非選択Al CVD法によるビアホ-ル完全平坦化堆積" 電子情報通信学会技術研究報告. SDM90ー77. 7-12 (1990)
• [文献書誌] 坪内 和夫、益 一哉、: "Al選択/非選択CVD (招待講演)" 電子情報通信学会技術研究報告. SDM90ー176. 1-6 (1991)
• [文献書誌] 坪内 和夫、: "超微細完全平坦化多層配線技術" 日本学術振興会 将来加工技術第136委員会 第2部会 (方向性組織生成技術) 第8会研究会資料. 7-12 (1990)
• [文献書誌] 坪内 和夫、益 一哉、: "選択ー非選択Al CVD技術" 日本学術振興会 薄膜第131委員会 第153会研究会資料. 30-35 (1990)
• [文献書誌] 俣野 達哉、益 一哉、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "選択/非選択Al CVD技術によるビアホ-ル完全平坦化堆積" 平成2年秋季 第51回応用物理学学術講演会. 27a-E-5 (1990)
• [文献書誌] 樋浦 洋平、俣野 達哉、益 一哉、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "熱処理によるSiO_2上CVD Alの単結晶化ー走査形μーRHEED顕微鏡による観察ー" 平成2年秋季 第51回応用物理学学術講演会. 27a-E-6 (1990)
• [文献書誌] 佐々木 圭一、俣野 達哉、益 一哉、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "DMAHを用いたLPーCVD法によるAl薄膜の熱処理耐性" 平成3年春季 第38回応用物理学関連連合講演会 (講演予定). 31p-W-3 (1991)