JP2629427B2 - アルミニウム膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、シリコン単結晶基板表面、若しくは該基板
上に形成された絶縁膜上に、アルミニウム若しくはアル
ミニウムを主体とした合金の膜を形成する技術に関し、
例えば、シリコン半導体装置の製造工程において、配線
用に用いられるアルミニウム膜を形成する場合等に適用
される技術である。

〔従来の技術〕

シリコン半導体装置の配線材料としては、通常、アル
ミニウムもしくはアルミニウムを主体としてシリコン等
を僅かに含有する合金が用いられている。以下、これら
を総称して「アルミニウム」と呼ぶことにする。

通常、（100）面方位のシリコン面上にアルミニウム
薄膜を蒸着すると、第２図の走査型電子顕微鏡（以下、
SEMと称する）写真に示すような多結晶状の膜が形成さ
れる。これは、アルミニウムが結晶化する際、結晶成長
を制限する要因がなかったことを意味する。このような
アルミニウムの結晶粒の大きさは成膜条件によって様々
であるが、数μｍ程度である。一方、IC等の配線の距離
は10μｍ以上であり、アルミニウムの結晶粒よりもかな
り大きいので、配線は多結晶状のアルミニウムで構成さ
れることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のごとき多結晶状態のアルミニウム膜はときにマ
イグレーション現象を生じる。マイグレーション現象と
は、通電もしくは熱や機械的等のストレスにより、アル
ミニウム原子が主として粒界界面を移動する現象で、こ
れによってICの配線形状が変形し、断線故障の原因にな
る。アルミニウムに結晶粒界がなければ、マイグレーシ
ョン現象は殆ど起きないといってもよいくらい減少す
る。したがって配線全体を単結晶状態のアルミニウム膜
で形成することが出来れば、マイグレーション耐性を向
上させ、IC等の断線故障を大幅に減少させることが可能
となる。

しかし、シリコン上にアルミニウムの単結晶をエピタ
キシャル成長させるのは容易ではなく、現在は極めて特
殊な装置を用いて実験的に成功しているに過ぎない。こ
のような技術の公知例としては、例えば「アイ イー
イー イー トランザクションズ オン エレクトロン
デバイセス（IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE
S,VOL.ED−34,No.5,MAY 1897.“Metallization by Ioni
zed Cluster Beam Deposition"）に記載されているもの
がある。

本発明は、上記のごとき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、通常の蒸着装置を用いて、
シリコン単結晶基板上、若しくは該基板上に形成された
絶縁膜上に、結晶粒界のない単結晶アルミニウム膜を容
易に形成することのできる形成方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては、特許
請求の範囲に記載するように構成している。

すなわち、第１請求項に記載の発明においては、シリ
コン単結晶基板として、（100）面方位に対して〈011〉
方向に3.4゜以上5.0゜以下の傾斜を付けた面方向の主面
を有する基板を用い、かつ、蒸着前の洗浄工程の最終段
階に弗酸溶液を用いて基板表面の酸化膜を除去した後、
通常の方法でアルミニウム（アルミニウムを主とした合
金を含む）を蒸着することにより、シリコン単結晶基板
表面に単結晶のアルミニウム膜を形成するように構成し
たものである。

また、第２請求項に記載の発明においては、上記第１
請求項に記載の方法でシリコン単結晶表面に形成した単
結晶のアルミニウムを種として、絶縁膜上に形成された
多結晶状態のアルミニウムを単結晶化することにより、
絶縁膜上に単結晶のアルミニウム膜を形成するように構
成したものである。

以下、詳細に説明する。

まず、（100）面方位に対して〈011〉方向に3.4゜〜
5.0゜の傾斜を付けた面方向のシリコン基板を用いる点
について説明する。

シリコンの（100）面上には（110）面のアルミニウム
がエピタキシャル成長することが実験で確められてい
る。シリコンの格子定数は約5.420Åで、結晶構造は第
６図に示すごとく、ダイヤモンド構造を呈している。ま
た（100）面内の最短原子間距離は、 である。一方、アルミニウムの格子定数は4.041Åであ
り、第７図（ａ）に示すごとく、面心立方格子をなして
いる。また、第７図（ｂ）はアルミニウムの面方位（11
0）の断面図である。第７図（ｂ）図において、長方形
の短辺は第７図（ａ）と同じ4.041Åである。一方、長
辺の長さは短辺の であるが、辺の中心に原子が存在するので、この方向の
原子間距離は半分の2.858Åである。なお、上記の数値
は昭和60年度版の「理科年表」からの引用である。

シリコンの（100）面上の原子間距離3.833Åとアルミ
ニウムの結晶格子の（110）断面の長辺の原子間距離2.8
58Åとのミスフィットは、このままでは30％以上である
が、シリコンの原子間距離３つ分とアルミニウム原子の
原子間距離４つ分との相対誤差は約0.59％である。これ
はエピタキシャル成長において十分な大きさの単結晶を
形成し得る値であり、実際もこのような関係でエピタキ
シャル成長している。しかし、シリコンの（100）面上
の原子間距離3.833Åとアルミニウムの（110）断面の短
辺の原子間距離4.041Åとのミスフィットは、5.4％であ
り、このままでは十分な大きさのアルミウム単結晶には
成長し得ない。すなわち、通常の（100）面方位のシリ
コン基板を用いた場合には十分大きなアルミニウム単結
晶を成長させることが出来ない。

上記の問題を解決するため、本発明者は、（100）面
方位に対して〈011〉方向に所定範囲の傾斜を付けた主
面を有するシリコン基板を用いることにより、上記のミ
スフィットを解消するという方法を案出したものであ
る。

（100）面方位に対して傾斜を付けた主面の表面に
は、原子ステップがほぼ規則正しく形成されるが、シリ
コンの結晶の構造上、この原子ステップには２種類のス
テップが存在し、交互に現われる。この状況を第８図に
示す。第８図は原子ステップの存在するシリコン表面の
図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図
において、黒丸はシリコン原子を、実線は原子の結合を
示す。図示のごとく、一方の原子ステップでは原子間距
離が半分になり、他方の原子ステップでは原子間距離は
変わらないが配列が変化する。一つの原子ステップから
次の同じ種類の原子ステップまでの間隔を「原子ステッ
プの１周期」と呼ぶことにする。第８図中の長さＬがこ
れに相当する。

原子ステップ１周期の間に存在するシリコンの原子間
距離ｎ＋（1/2）個分とアルミニウムの原子間距離ｎ個
分とが整合するならば、すなわち、その誤差が１％以下
であれば、十分良好なアルミニウム単結晶が形成され
る。このことから１周期の原子ステップに存在する原子
の数ｎを計算すると、ｎ＝7.7〜11.4であることが必要
となる。なお、各原子ステップ間に存在する原子の個数
は必ずしも一定ではないので、巨視的に見た平均値と解
釈する。

上記の原子ステップ１周期分でシリコンの表面はシリ
コンの格子定数の半分＝2.71Åだけの段差になる。この
数値を用いて、 tanθ＝2.71/（4.041×ｎ） を計算すると、θ＝3.4゜〜5.0゜となる。すなわち、θ
が上記の範囲では、ミスフィットが１％以下になり、シ
リコンとアルミニウムが整合していることになる。

なお、上記の数値の範囲をやや外れた点、例えばθ＝
３゜ではミスフィットは1.5％になり、θ＝６゜ではミ
スフィットは２％になるので、十分な整合が得られな
い。

上記のように、（100）面方位に対して〈011〉方向に
3.4゜〜5.0゜だけ傾斜した面方向のシリコン基板におい
ては、ミスフィットを十分に解消することが出来るの
で、その面上に（110）面方位のアルミニウムがエピタ
キシャル成長し得ることになる。

蒸着直後のシリコン表面上のアルミニウム原子の結合
の仕方はランダムであるが、蒸着中の熱もしくは蒸着後
のアニールにより、局所的な結晶方向は周囲の状況に従
って、より大域的な結晶方向へ再編成されて行く。この
時、面方位傾斜のない（100）シリコン表面では、前述
した結晶のミスフィットを緩和する仕組がないので、２
つの方向の結晶が入り変じった多結晶状態となる。これ
に対して、前記のごとく傾斜を付けた（100）面シリコ
ン上のアルミニウム原子は、２方向のうちの１方向に配
向する確率が高くなり、十分なアニール後では表面の結
晶は一つの方向に並び得る。すなわち単結晶となる。

次に、蒸着前の弗酸による洗浄処理について説明す
る。

上記のようなシリコン基板を用いても、アルミニウム
蒸着前のシリコン基板の洗浄方法によってはアルミニウ
ムは単結晶成長しない。

通常、アルミニウムの成膜前には、塩酸＋過酸化水素
水、アンモニア＋過酸化水素水、弗酸溶液などによる洗
浄を組み合わせて、シリコン基板表面に付着している有
機物や重金属原子を除去する。また、反応性に富むシリ
コン表面が露出すると、新たな汚染物質を吸着する恐れ
があるので、洗浄後のシリコン表面に僅かな酸化膜が残
るように処理する場合もある。このような薄い酸化膜の
残ったシリコン表面にアルミニウムを蒸着しても、酸化
膜は蒸着時に破壊されるので、コンタクト抵抗にはあま
り影響がない。そして、重金属が汚染物質として問題に
なるのは、その後に拡散工程などの高温処理がある場合
であり、本発明を適用する電極形成の段階は、最終段階
なのでそれほど問題にはならない。

しかし、この酸化膜の存在はアルミニウム原子が結晶
化するときにシリコンの結晶格子を参照してエピタキシ
ャル成長する妨げとなる。そのため、成膜前の洗浄で
は、最後の洗浄を弗酸溶液で終了することで、シリコン
表面に酸化膜を残さないようにする。これによってりア
ルミニウムはシリコンの結晶格子を参照できるようにな
り、良好な単結晶を形成することが可能となる。

上記のごとき本発明の方法で蒸着したアルミニウム薄
膜は、単結晶膜となり、エレクトロマイグレーション耐
量およびストレスマイグレーション耐量が強くなる。そ
のため本発明をICの配線形成工程に適用すれば、配線の
断線故障を大幅に減少させることが出来る。

〔発明の実施例〕

シリコン単結晶基板としては、（100）面方位に対し
て〈０〉方向に約3.6゜傾いた面方向の主面を有す
るシリコンウエハを用いた。

このウエハを、硫酸＋過酸化水素水溶液、アンモニア
＋過酸化水素水溶液、希釈弗酸、塩酸＋過酸化水素水溶
液で順次洗浄した後、最後に40％弗化アンモン溶液10に
対して50％弗酸１の割合で混合した緩衝弗酸溶液で処理
し、シリコン表面の酸化膜を完全に除去した。このよう
に処理したシリコン基板の表面に、DCマグネトロンスパ
ッタ装置を用いて純粋アルミニウムを厚さ２μｍ蒸着し
た。

第１図は、上記のようにして形成したアルミニウム膜
の表面形状の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。な
お、第１図において、黒い小点は結晶粒界ではなく、微
小な空孔である。

次に、第２図は、第１図の場合と同じ傾斜付のシリコ
ン基板を用い、洗浄方法のみを変えて同じ蒸着を行なっ
た場合におけるアルミニウム膜の表面形状のSEM写真で
あり、第１図と同倍率である。

この場合には、洗浄の最終段を、塩酸＋過酸化水素水
溶液の洗浄で終了し、本発明における弗酸処理を行なわ
なかった例であり、その他の処理は第１図の場合と同様
である。このような洗浄処理では、シリコン表面には10
Åオーダーの酸化膜が形成される。

第２図の表面形状は、明らかに通常見られる多結晶ア
ルミニウム膜の様相である。すなわち、シリコン表面に
酸化膜が残されているため、アルミニウム原子はシリコ
ンの結晶格子を参照することが出来ず、そのために多結
晶状態になったものである。

次に、第３図は、傾斜のない（100）面方位のシリコ
ン基板を用い、その他の処理は第１図と同様になって蒸
着した場合におけるアルミニウム表面形状のSEM写真で
ある。

面方位に傾斜のないシリコンの（100）面には、アル
ミニウムは細かく単結晶成長し、結晶は特定方向に揃っ
ているが、ミスフィットを解消するような機構がないの
で、２方向に細かい多結晶状態を示している。

次に、第４図および第５図は、それぞれ第１図および
第２図の試料をＸ線回折した極座標表示の結果を示す図
である。

第４図および第５図において、信号は大域的なアルミ
ニウム膜の（220）方向の向きを表わしている。また、
画面の縦横はシリコンの（100）結晶軸にほぼ一致して
いる。

第５図では輪形に信号が出ている。これは結晶成長の
方向を規制する外力のないアルミニウムが結晶を形成す
る場合、エネルギー的に最も安定な（111）面に面方位
を揃えて成長するが、面に平行な方向には何ら制限がな
いため、ランダムな方向を向いていることを示してい
る。これに対して本発明に対応する第４図は、５方向
（図の中心、右上、右下、左下、左上）に集中して信号
が出ており、確かに面方位（110）のアルミニウム膜が
単結晶成長していることを示している。

なお、上記の実施例においては、純粋のアルミニウム
を蒸着した場合を例示したが、アルミニウムを主体とし
てシリコン等を僅かに含有する合金を用いても同様に単
結晶を形成することが出来る。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

前記のごとき本発明の方法においては、ミスフィット
が小さく、大きな結晶領域を形成することが出来る。こ
のようにして形成した単結晶アルミニウムを種として、
レーザーアニーリングなどの手法により、絶縁膜上に形
成された多結晶状態のアルミニウムを単結晶化すること
も可能である。

第９図は、絶縁膜上に形成された多結晶状態のアルミ
ニウムを単結晶化する方法の一実施例を示す断面図であ
る。

第９図において、まず、（ａ）に示すごとく、配線領
域の近くの絶縁膜２の一部をエッチングで除去して窓を
開けておき、前記のごとき本発明の方法でアルミニウム
膜を蒸着する。この場合、窓の部分、すなわちシリコン
基板３に接する部分のアルミニウム１′は単結晶化され
るが、絶縁膜２上のアルミニウム１は多結晶化されてい
る。

次に、（ｂ）に示すごとく、テーザーアニーリングな
どの方法でアニールを行ない、上記の単結晶のアルミニ
ウム１′を種として絶縁膜上の多結晶状態のアルミニウ
ム１を単結晶化する。

次に、（ｃ）に示すごとく、フォトエッチングでパタ
ーニングすることにより、配線部分以外のアルミニウム
を除去する。

最後に、（ｄ）に示すごとく、その上から絶縁膜４を
堆積させ、シリコンの窓を絶縁する。

上記のようにして、絶縁膜２上にも単結晶のアルミニ
ウム膜を形成することが出来る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、（100）面
方位に対して〈011〉方向に3.4゜〜5.0゜の傾斜を付け
た面方向の主面を有するシリコン基板を用い、かつ、洗
浄工程の最終段階に弗酸溶液を用いて基板表面の酸化膜
を除去した後、アルミニウムを蒸着することにより、従
来より極めて容易に、シリコン単結晶基板表面に単結晶
のアルミニウム膜を形成することが出来る。また、その
技術を応用して絶縁膜上にも単結晶のアルミニウム膜を
形成することが出来る、という優れた効果が得られる。
また、このようにして形成されたアルミニウム膜は、配
線として用いられた場合、マイグレーション耐量が高
く、したがって配線の断線故障などを大幅に低減するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法で形成したアルミニウム膜表面の
金属組織の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第２図は弗
酸洗浄を行なわなかった場合におけるアルミニウム膜表
面の金属組織の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第３図
は傾斜のない（100）面方位のシリコン基板を用いて弗
酸洗浄を行なった場合におけるアルミニウム膜表面の金
属組織の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第４図は第１
図の試料のＸ線回折の極座標表示を示す図、第５図は第
２図の試料のＸ線回折の極座標表示を示す図、第６図は
シリコンの結晶格子を示す図、第７図はアルミニウムの
結晶格子を示す図、第８図はシリコン基板表面の原子ス
テップの構造図、第９図は絶縁膜上に単結晶アルミニウ
ムを形成する方法の一実施例を示す断面図である。 〈符号の説明〉 １……多結晶アルミニウム部分 １′……単結晶アルミニウム部分 ２……絶縁膜（SiO₂） ３……シリコン単結晶基板 ４……絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１ Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１Ｌ 21/3205 21/88 Ｎ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（100）面方位に対して〈011〉方向に3.4
   ゜以上5.0゜以下の傾斜を付けた面方向の主面を有する
   シリコン単結晶基板を用い、かつ、 蒸着前の洗浄工程の最終段階に弗酸溶液を用いて上記シ
   リコン単結晶基板表面の酸化膜を除去する工程と、 上記シリコン単結晶基板の主面上に、アルミニウム若し
   くはアルミニウム合金を蒸着する工程と、を有し、 シリコン単結晶基板表面に単結晶のアルミニウム若しく
   はアルミニウム合金の膜を形成することを特徴とするア
   ルミニウム膜の形成方法。
2. 【請求項２】（100）面方位に対して〈011〉方向に3.4
   ゜以上5.0゜以下の傾斜を付けた面方向の主面を有する
   シリコン単結晶基板を用い、かつ、 上記シリコン単結晶基板の主面上に絶縁膜を形成する工
   程と、 上記絶縁膜の所定部分を除去して上記シリコン単結晶基
   板表面の一部を露出させる工程と、 上記露出部分を含んで上記絶縁膜上にアルミニウム若し
   くはアルミニウム合金の膜を蒸着する工程と、 アニーリングを行なって、上記露出部分に形成された単
   結晶のアルミウム若しくはアルミニウム合金を種として
   上記絶縁膜上の多結晶状態のアルミニウム若しくはアル
   ミニウム合金を単結晶化する工程と、 上記絶縁膜上に形成された単結晶のアルミニウム若しく
   はアルミニウム合金の所定部分を残して他のアルミニウ
   ム若しくはアルミニウム合金部分を除去する工程と、を
   備え、 絶縁膜上に単結晶のアルミニウム若しくはアルミニウム
   合金の膜を形成することを特徴とするアルミニウム膜の
   形成方法。