JP2670151B2

JP2670151B2 - 堆積膜形成法

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Publication number: JP2670151B2
Application number: JP25001189A
Authority: JP
Inventors: 寿進藤; 武史市川; 敦池田; 和明近江; 繁幸松本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JPH03111566A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、堆積膜形成法に関し、特に半導体集積回路
装置等の配線に好ましく適用できるAl−TiあるいはAl−
Si−Ti堆積膜の形成法に関するものである。

［従来の技術］従来、半導体を用いた電子デバイスや集積回路におい
て、電極や配線には主にアルミニウム（Al）もしくはAl
−Si等が用いられてきた。ここで、Al等は廉価で電気伝
導度が高く、また表面に緻密な酸化膜が形成されるの
で、内部が化学的に保護されて安定化することや、Siと
の密着性が良好であることなど、多くの利点を有してい
る。ところが、Alはいわゆるエレクトロマイグレーショ
ンに起因する断線の問題があり、これを解決するために
従来よりAl−Tiが検討されてきた。

上記AlもしくはAl−Tiの電極や配線のAl−Ti膜の形成
方法としては、従来マグネトロンスパッタなどのスパッ
タ法が用いられてきた。

しかしスパッタ法はターゲットからスパッタされた粒
子の真空中での飛来を基礎とする物理的堆積法であるの
で、段差部や絶縁膜側壁での膜厚が極端に薄くなり、甚
だしい場合には断線も生じる。そして、膜厚の不均一や
断線はLSIの信頼性を著しく低下させることになる。

上記のような問題点を解決するためのAl膜の成膜法と
しては様々なタイプのCVD（Chemical Vapor Depositio
n）法が提案されている。これらの方法では成膜過程で
何らかの形で原料ガスの化学反応を利用する。プラズマ
CVDや光CVDでは原料ガスの分解が気相中で起き、そこで
できた活性種が基板上でさらに反応して膜形成が起き
る。これらのCVD法では気相中の反応があるので、基板
表面の凹凸に対する表面被覆性がよい。しかし、原料ガ
ス分子中に含まれる炭素原子が膜中に取り込まれる。ま
た特にプラズマCVDではスパッタ法の場合のように荷電
粒子による損傷（いわゆるプラズマダメージ）があるな
どの問題点があった。

熱CVD法は主に基体表面での表面反応により膜が成長
するために表面の段差部などの凹凸に対する表面被覆性
が良い。このため、段差部での断線などを避けることが
できる。また、プラズマCVDやスパッタ法のような荷電
粒子損傷もない。この種の方法の一例としては、Journa
l of Electrochemical Society第131巻第2175頁（1984
年）に記載されているものがある。この方法では、有機
アルミニウムガスとしてトリイソブチルアルミニウム
（TIBA）｛（ｉ−C₄H₉)₃Al）を用い、成膜温度260℃，
反応管内圧力0.5TorrでAl膜を成膜した後、基板温度を
約450℃に保ち、SiH₄を導入してSiをAl膜中に拡散させ
てAl−Si膜を得ている。

TIBAを用いる場合は、成膜前にTiCl₄を流し、基板表
面を活性化し、核を形成するなどの前処理を施さないと
連続な膜が得られない。この場合Tiは膜中に取込まれる
のではなく、あくまで核付け材料として用いられる。ま
た、TiCl₄を用いた場合も含め、一般にTIBAを用いた場
合には表面平坦性が劣るという問題点がある。

また、他の方法としてはJapanese Journal of Applie
d Physics第27巻第11号 L2134ページ（1988）に記載さ
れている方法がある。この方法ではTIBAとSi₂H₆とをAr
ガスに分散して供給し、TIBAが基板に達する前にガスを
加熱する。この方法によりSi（100）ウェア上に低抵抗
のAl−Si膜をエピタキシャル成長させることができる。
この方法では得られる膜はかなり良質であるが、ガスを
加熱する必要があるため制御が難しく、また装置が複雑
になるなどの問題がある。

特開昭63−33569号公報にはTiCl₄を用いず、その代り
に有機アルミニウムを基体近傍において加熱することに
より膜形成する方法が記載されている。この方法では表
面の自然酸化膜を除去した金属または半導体表面上にの
み選択的にAlを堆積することができる。

この場合にはTIBAの導入前に基板表面の自然酸化膜を
除去する工程が必要であると明記されている。また、TI
BAは単独で使用することが可能なのでTIBA以外のキャリ
アガスを使う必要はないがArガスをキャリアガスとして
用いてもよいと記載されている。しかしTIBAと他のガス
（例えばH₂）との反応は全く想定しておらず、H₂をキャ
リアガスとして使うという記載はない。またTIBA以外に
トリメチルアルミニウム（TMA）とトリエチルアルミニ
ウム（TEA）をあげているが、それ以外の有機金属の具
体的記載はない。これは一般に有機金属の化学的性質は
金属元素に付いている有機置換基が少し変化すると大き
く変るので、どのような有機金属を使用すべきかは個々
に検討する必要があるからである。この方法では自然酸
化膜を除去しなければならないという不都合があるだけ
でなく、表面平滑性が得られないという欠点がある。ま
たガスの加熱の必要があること、しかも加熱を基板近傍
で行わなければならないという制約があり、しかもどの
位基板に近い所で加熱しなければならないかも実験的に
決めて行かざるを得ず、ヒータを置く場所を自由に選べ
る訳ではないなどの問題点もある。

Electrochemical Society日本支部第２回シンポジウ
ム（1989年７月７日）予稿集第75ページにはダブルウォ
ールCVD法によるAlの成膜に関する記載がある。この方
法ではTIBAを使用しガス温度を基板温度よりも高くなる
ように装置を設計する。この方法は上記特開昭63−3356
9号の変形ともみなせる。この方法ではガス温度と基板
表面温度との差を制御するのが困難であるだけでなく、
ボンベと配管を加熱しなければならないという欠点があ
る。しかもこの方法では膜をある程度厚くしないと均一
な連続膜にならない。膜の平坦性が悪いなどの問題点が
ある。しかも上記２つの例ではAl成膜の例はあるがAl−
Tiを成膜した例はない。

このように、従来の方法では平坦で低抵抗の良質なAl
−Ti膜を得る上で問題があったり、装置上または成膜上
の問題点がある。

［発明が解決しようとする課題］以上のように、近年より高集積化が望まれている半導
体の技術分野において、高集積化され、かつ高性能化さ
れた半導体装置を廉価に提供するためには、改善すべき
余地が多く存在していた。

本発明は、上述した技術的課題に鑑みてなされたもの
であり、導電体として良質なAl−TiもしくはAl−Si−Ti
膜を制御性良く所望の位置に形成し得る堆積膜形成法を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］かかる目的を達成するために本発明堆積膜形成方法
は、（ａ）電子供与性の表面を備えた基体を堆積膜形成用の
空間に配する工程、（ｂ）アルキルアルミニウムハイドライドのガスとチタ
ン原子を含むガスと水素ガスとを前記堆積膜形成用の空
間に導入する工程、および（ｃ）アルキルアルミニウムハイドライドおよびチタン
原子を含むガスの分解温度以上でかつ450℃以下の範囲
内に前記電子供与性の表面の温度を維持し、該電子供与
性の表面にチタンを含むアルミニウム膜を形成する工程
を有することを特徴とする。

また、本発明堆積膜形成方法は、（ａ）電子供与性の表面を備えた基体を堆積膜形成用の
空間に配する工程、（ｂ）アルキルアルミニウムハイドライドのガスとシリ
コン原子を含むガスとチタン原子を含むガスと水素ガス
とを前記堆積膜形成用の空間に導入する工程、および（ｃ）アルキルアルミニウムハイドライド、前記シリコ
ン原子を含むガスおよび前記チタン原子を含むガスの分
解温度以上でかつ450℃以下の範囲内に前記電子供与性
の表面の温度を維持し、該電子供与性の表面にシリコン
およびチタンを含むアルミニウム膜を形成する工程を有
することを特徴とする。

［作用］まず、有機金属を用いた堆積膜形成方法について概説
する。

有機金属の分解反応、ひいては薄膜堆積反応は、金属
原子の種類，金属原子に結合しているアルキルの種類，
分解反応を生ぜしめる手段，雰囲気ガス等の条件により
大きく変化する。

例えば、Ｍ−R₃（M:III族金属,R:アルキル基）の場合
において、トリメチルガリウムは、熱分解ではGa−CH₃結合の切断されるラジカル解裂
であるが、トリエチルガリウムは、熱分解ではβ離脱によりとC₂H₄とに分解する。また、同じエチル基のついたトリ
エチルアルミニウムは、熱分解ではAl−C₂H₅結合の切断されるラジカル分解
である。しかしiC₄H₉の結合したイソトリブチルアルミ
ニウムはβ離脱する。

CH₃基とAlとからなるトリメチルアルミニウム（TMA）
は、室温で二量体構造を有しており、熱分解はAl−CH₃基の切断されるラジカ
ル分解であり、150℃以下の低温では雰囲気H₂と反応し
てCH₄を生じ、最終的にAlを生成する。しかし略々300℃
以上の高温では、雰囲気にH₂が存在してもCH₃基がTMA分
子からＨを引抜き、最終的にAl−Ｃ化合物が生ずる。

また、TMAの場合、光もしくはH₂雰囲気高周波（略々1
3.56MHz）プラズマにおいて電力のある制限された領域
においては、２つのAl間の橋掛CH₃のカップリングによ
りC₂H₆が生ずる。

要は、最も単純なアルキル基であるCH₃基，C₂H₅基ま
たはiC₄H₉基とAlまたはGaから成る有機金属ですら、反
応形態はアルキル基の種類や金属原子の種類，励起分解
手段により異なるので、有機金属から金属原子を所望の
基体上に堆積させるためには、分解反応を非常に厳密に
制御しなければならない。例えば、トリイソブチルアル
ミニウムからAlを堆積させる場合、従来の熱反応を主とする減圧
CVD法では、表面にμｍオーダの凹凸が生じ、表面モル
フォロジが劣っている。また、熱処理によるヒロック発
生、AlとSiとの界面でのSi拡散によるSi表面荒れが生
じ、かつマイグレーション耐性も劣っており、超LSIプ
ロセスに用いることが難しい。

そのため、ガス温度と基板温度とを精密に制御する方
法が試みられている。しかし装置が複雑であり、１回の
堆積プロセスで１枚のウェハにしか堆積を行うことので
きない枚葉処理型である。しかも堆積速度が高々500Å
／分であるので、量産化に必要なスループットを実現す
ることができない。

同様にTMAを用いた場合は、プラズマや光を用いるこ
とによるAl堆積が試みられているが、やはりプラズマや
光を用いるため装置が複雑となり、かつ枚葉型装置であ
るため、スループットを十分向上させるにはまだ改善す
べき余地がある。

本発明におけるジメチルアルミニウムハイドライドDM
AHは、アルキル金属として公知の物質であるが、どのよ
うな反応形態によりどのようなAl薄膜が堆積するかは、
あらゆる条件下で堆積膜を形成してみなくては予想だに
できないものであった。例えばDMAHを光CVDによりAlを
堆積させる例では、表面モルフォロジに劣り、抵抗値も
数μΩ〜10μΩ・cmとバルク値（2.7μΩ・cm）より大
きく、膜厚に劣るものであった。

［実施例］以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施態様に
ついて説明する。

本発明においては、導電性堆積膜として耐エレクトロ
マイグレーション性のある良質のAl−TiもしくはAl−Si
−Ti膜を基体上に選択的に堆積させるためにCVD法を用
いるものである。

すなわち、堆積膜の構成要素となる原子を少なくとも
１つ含む原料ガスとして有機金属であるジメチルアルミ
ニウムハイドライド（DMAH）またはモノメチルアルミニウムハイドライド（MMAH₂）と、原料ガスとしてのTi原子を含むガスとを使用し、か
つ反応ガスとしてH₂を使用し、これらの混合ガスによる
気相成長により基体上にAl−Ti膜を形成する。あるい
は、原料ガスとしてさらにSi原子を含むガスを付加し、
Al−Si−Ti膜を形成する。

本発明の適用可能な基体は、Al−Tiの堆積する表面を
形成するための基体表面材料を有するものである。そし
て、その基体表面材料としては、電子供与性を有する材
料を用いる。

この電子供与性について以下詳細に説明する。

電子供与性材料とは、基体中に自由電子が存在してい
るか、もしくは自由電子を意図的に生成せしめたかした
もので、例えば基体表面上に付着した原料ガス分子との
電子授受により化学反応が促進される表面を有する材料
をいう。例えば、一般に金属や半導体がこれに相当す
る。金属もしくは半導体表面に薄い酸化膜が存在してい
るものも含まれる。それは基体と付着原料分子間で電子
授受により化学反応が生ずるからである。

具体的には、単結晶シリコン，多結晶シリコン，非晶
質シリコン等の半導体、III族元素としてのGa,In,Alと
Ｖ族元素としてのP,As,Nとを組合せて成る二元系もしく
は三元系もしくは四元系III−Ｖ族化合物半導体、タン
グステン，モリブデン，タンタル，タングステンシリサ
イド，チタンシリサイド，アルミニウム，アルミニウム
シリコン，チタンアルミニウム，チタンナイトライド，
銅，アルミニウムシリコン銅，アルミニウムパラジウ
ム，チタン，モリブデンシリサイド，タンタルシリサイ
ド等の金属，合金およびそれらのシリサイド等を含む。

このような構成の基体に対して、Al−Tiは原料ガスと
H₂との反応系において単純な熱反応のみで堆積する。例
えばDMAHとH₂との反応系における熱反応は基本的にと考えられる。DMAHは室温で二量体構造をとっている。
また、TiCl₄（もしくはさらにSi₂H₆）等の添加によりAl
−Ti（もしくはAl−Si−Ti）が形成されるのは基体表面
に到達したTiCl₄（もしくはさらにSi₂H₆）が表面化学反
応により分解し、Ti（もしくはさらにSi）が膜中に取り
込まれることによる。MMAH₂によっても下記実施例に示
すように、熱反応により高品質Al−Ti（もしくはAl−Si
−Ti）が堆積可能であった。

MMAH₂は蒸気圧が室温で0.01〜0.1Torrと低いために多
量の原料輸送が難しく、堆積速度は数百Å／分が本発明
における上限値であり、好ましくは室温で蒸気圧が1Tor
rであるDMAHを使用することが最も望ましい。

第１図は本発明を適用可能な堆積膜形成装置を示す模
式図である。

ここで、１はAl−Ti（もしくはAl−Si−Ti）膜を形成
するための基体である。基体１は、同図に対して実質的
に閉じられた堆積膜形成用の空間を形成するための反応
管２の内部に設けられた基体ホルダ３上に載置される。
反応管２を構成する材料としては石英が好ましいが、金
属製であってもよい。この場合には反応管を冷却するこ
とが望ましい。また、基体ホルダ３は金属製であり、載
置される基体を加熱できるようにヒータ４が設けられて
いる。そしてヒータ４の発熱温度を制御して基体温度を
制御することができるよう構成されている。

ガスの供給系は以下のように構成されている。

５はガスの混合器であり、第１の原料ガスと第２の原
料ガスと反応ガスとを混合させて反応管２内に供給す
る。６は第１の原料ガスとして有機金属を気化させるた
めに設けられた原料ガス気化器である。

本発明において用いる有機金属は室温で液体状である
ので、気化器６内でキャリアガスを有機金属の液体中を
通して飽和蒸気となし、混合器５へ導入する。

排気系は以下のように構成される。

７はゲートバルブであり、堆積膜形成前に反応管２内
部を排気する時など大容量の排気を行う際に開かれる。
８はスローリークバルブであり、堆積膜形成時の反応管
２内部の圧力を調整する時など小容量の排気を行う際に
用いられる。９は排気ユニットであり、ターボ分子ポン
プ等の排気用のポンプ等で構成される。

基体１の搬送系は以下のように構成される。

10は堆積膜形成前および堆積膜形成後の基体を収容可
能な基体搬送室であり、バルブ11を開いて排気される。
12は搬送室を排気する排気ユニットであり、ラーボ分子
ポンプ等の排気用ポンプで構成される。

バルブ13は基体１を反応室と搬送空間で移送する時の
み開かれる。

第１図に示すように、第１の原料ガスを生成するため
のガス生成室６においては、室温に保持されている液体
状のDMAlHに対しキャリアガスとしてのH₂もしくはAr
（もしくは他の不活性ガス）でバブリングを行い、気体
状DMAHを生成し、これを混合器５に輸送する。Tiを含む
ガス（もしくはさらにSiを含むガス）および反応ガスと
してのH₂は別々に、または予め混合して他の経路から混
合器５に輸送される。ガスはそれぞれその分圧が所望の
値になるように流量が調整されている。

第１の原料ガスとしては、MMAH₂でもよいが、蒸気圧
が室温で1Toorrとなるのに十分なDMAHが最も好ましい。
また、DMAHとMMAH₂を混合させて用いてもよい。

また、第２の原料ガスとしてのTiを含むガスとして
は、TiCl₃，TiCl₄，TiBr₄，Ti(CH₃)₄等を用いることが
できる。とりわけ、200〜300℃の低温で分解し易いTiCl
₄，Ti(CH₃)₄が最も望ましい。さらに、Siを含むガスと
しては、Si₂H₆，SiH₄，Si₃H₈，Si(CH₃)₄，SiCl₄，SiH₂C
l₂，SiH₃Clを用いることができる。とりわけ、200〜300
℃の低温で分解し易いSi₂H₆が最も望ましい。H₂またはA
rで希釈されたTiCl₄（もしくはさらにSi₂H₆）等のガス
は、DMAHと別系統から混合器５に輸送され、反応管２に
供給される。

このような原料ガスおよび反応ガスを用い、基体温度
160℃〜450℃で形成された堆積膜の抵抗率は、膜厚400
Åでは室温で3.0〜6.0μΩ・cmとAlバルクの抵抗率とほ
ぼ等しく、連続かつ平坦な膜となる。このとき、成膜時
圧力は10^-3Torr〜760Torrの範囲で選ぶことができる。
また、膜厚１μｍであっても、その抵抗率はやはり室温
で略々3.0〜8.0μΩ・cmとなり、厚膜でも十分に緻密な
膜が形成される。可視光波長領域における反射率も略々
80％であり、表面平坦性にすぐれた薄膜を堆積させるこ
とができる。

基体温度としては、Alを含む原料ガスおよびTiを含む
原料ガス（もしくはさらにSiを含む原料ガス）の分解温
度以上、かつ450℃以下が望ましいことは前述した通り
であるが、具体的には基体温度220〜450℃が望ましく、
この条件で堆積を行った場合、DMAH分圧が10^-4〜10^-3To
rrのとき堆積速度は100Å／分〜700Å／分と非常に大き
く、超LSI用Al−Ti（もしくはAl−Si−Ti）堆積技術と
して十分大きい堆積速度が得られる。

さらに好ましくは基体温度250℃〜350℃であり、この
条件で堆積したAl−Ti膜等は配向性も強く、かつ450℃,
1hourの熱処理を行ってもTi単結晶もしくはSi多結晶基
体上のAl−Ti膜等にはヒロック，スパイクの発生もない
良質のAl−Si膜となる。また、このようなAl−Ti膜等は
Al膜よりもエレクトロマイグレーション耐性に優れてい
る。

第１図示の装置では、１回の堆積において１枚の基体
にしかAl−Ti等を堆積することができない。略々700Å
／分の堆積速度は得られるが、多数枚の堆積を短時間で
行うためには不十分である。

この点を改善する堆積膜形成装置としては、多数枚の
ウェハを同時に装填してAl−Tiを堆積することのできる
減圧CVD装置がある。本発明によるAl−Si堆積は加熱さ
れた電子供与性基体表面での表面反応を用いているた
め、基体のみが加熱されるホットウォール型減圧DVD法
であれば、例えばDMAHとH₂およびTiCl₄等のTi原料ガス
とを添加することにより、Tiを0.5〜2.0％含むAl−Ti膜
を堆積させることができる。

反応管圧力は0.05〜760Torr,望ましくは0.1〜0.8Tor
r、基体温度は160℃〜450℃，望ましくは220℃〜400
℃、DMAH分圧は反応管内圧力の１×10^-5倍〜1.3×10^-3
倍であり、TiCl₄分圧は反応管内圧力の１×10^-7倍〜１
×10^-4倍の範囲であり、Al−Tiが電子供与性基体に堆積
する。

第３図はかかる本発明を適用可能な堆積膜形成装置を
示す模式図である。

57はAl−Ti（もしくはAl−Si−Ti）膜を形成するため
の基体である。50は周囲に対して実質的に閉じられた堆
積膜形成用の空間を形成する石英製の外側反応管、51は
外側反応管50内のガスの流れを分離するために設置され
る石英製の内側反応管、54は外側反応管50の開口部を開
閉するための金属製のフランジであり、基体57は内側反
応管51内部に設けられた基体保持具56内に設置される。
なお、基体保持具56は石英製とするのが望ましい。

また、本装置はヒータ部59により基体温度を制御する
ことができる。反応管50内部の圧力は、ガス排気口53を
介して結合された排気系によって制御できるように構成
されている。

また、原料ガスは第１図に示す装置と同様に、第１の
ガス系，第２のガス系，第３のガス系および混合器（Si
原子を含むガスを導入する場合にはさらに第４のガス
系）を有し（いずれも図示せず）、原料ガスは原料ガス
導入ライン52より反応管50内部に導入される。原料ガス
は、第３図中矢印58で示すように、内側反応管51内部を
通過する際、基体57の表面において反応し、Al−Tiを基
体表面に堆積する。反応後のガスは、内側反応管51と外
側反応管50とによって形成される間隙部を通り、ガス排
気口53から排気される。

基体の出し入れに際しては、金属製フランジ54をエレ
ベータ（図示せず）により基体保持具56,基体57ととも
に降下させ、所定の位置へ移動させて基体の着脱を行
う。

かかる装置を用い、前述した条件で堆積膜を形成する
ことにより、装置内の総てのウェハにおいて良質なAl−
Ti（もしくはAl−Si−Ti）膜を同時に形成することがで
きる。

上述したように本発明にもとづくAl−Ti成膜方法によ
って得られた膜は緻密であり炭素等の不純物含有量がき
わめて少なく抵抗率もAlバルク値に近く且つ表面平滑度
の高い特性を有するため以下に述べる顕著な効果が得ら
れる。

ヒロックの減少ヒロックは成膜時の内部応力が熱処理工程で解放され
る際にAlが部分的なマイグレーションをおこし、Al表面
に凸部を生じるものである。また通電による極部的なマ
イグレーションによっても同様の現象が生ずる。本発明
によって形成されたAl−Ti膜は内部応力がほとんどなく
且つ単結晶に近い状態である。そのため450℃1Hrの熱処
理で従来のAl膜において10⁴〜10⁶個／cm²のヒロックが
生ずるのに対して本発明によるとヒロック数は０〜10個
／cm²と大幅に達成できた。このようにAl−Ti表面凸部
がほとんどないためレジスト膜厚および層間絶縁膜を薄
膜化することができ微細化，平坦化に有利である。

耐エレクトロマイグレーション性の向上エレクトロマイグレーションは高密度の電流が流れる
ことにより配線原子が移動する現象である。この現象に
より粒界に沿ってボイドが発生・成長しそのための断面
積減少に伴ない配線が発熱・断線してしまう。従来のス
パッタ法においてもAlにCu,Ti等を加え合金化すること
により耐マイグレーション性を向上させてきた。しかし
ながら合金化によりエッチング工程の複雑化および微細
化の困難さの問題が生じている。また、凹凸に対する表
面被覆性が悪かった。

耐マイグレーション性は平均配線寿命で評価すること
が一般的である。

上記従来法による配線は250℃,1×10⁶A/cm²の通電試
験条件下で、（配線断面積１μm²の場合）１×10²〜10³
時間の平均配線寿命が得られている。これに対して本発
明に基づくAl−Ti成膜法により得られたAl−Ti膜は、上
記試験により、断面積１μm²の配線で10³〜５×10⁴時間
の平均配線寿命が得られた。

よって本発明によるとたとえば配線幅0.8μｍのとき
0.3μｍの配線層厚さで充分実用に耐え得る。つまり配
線層厚さを薄くすることができるので配線を設置した後
の半導体表面の凹凸を最小減に抑えることができ、且つ
通常の電流を流す上で高信頼性が得られた。また、非常
に単純なプロセスで可能である。

コンタクト部のアロイ・ビットの減少配線工程中の熱処理により、配線材中のAlと基体のSi
が、共晶反応し、アロイ・ビットと呼ばれるAlとSiの共
晶がスパイク状に基体中に浸入し、その結果浅い接合が
破壊されることがある。

その対策として接合深さが0.3μｍ以上の場合はAl−S
i系の合金を用い、接合深さが0.2μｍ以下の場合はTi,
W,Mo系のバリアメタル技術を用いることが一般的であ
る。

しかしエッチングの複雑さおよびコンタクト抵抗の上
昇等改善すべき点は存在している。本発明によって形成
したAl−Tiは、配線工程時の熱処理によっても基体結晶
とのコンタクト部におけるアロイピットの発生が抑えら
れ、且つコンタクト性の良好な配線を得ることができ
る。つまり接合を0.1μｍ程度に浅くした場合もAl−Ti
材料のみで接合を破壊することなく配線できる。

表面平滑性の向上（配線のパターニング性向上）従来、金属薄膜の表面の粗さは配線のパターニング工
程においてマスクと基体用のアライメント工程およびエ
ッチング工程において不都合を及ばしていた。

つまり従来のAl CVD膜の表面には数μｍに及ぶ凹凸が
あり表面モルフォロジーが悪く、そのため１）アライメント信号が表面で乱反射を生じ、そのため
雑音レベルが高くなり本来のアライメント信号を識別で
きない。

２）大きな表面凹凸をカバーするため、レジスト膜厚を
大きくとらねばならず微細化に反する。

３）表面モルフォロジーが悪いとレジスト内部反射によ
るハレーションが極部的に生じ、レジスト残りが生ず
る。

４）表面モルフォロジーが悪いとその凹凸に準じて配線
エッチング工程で側壁がギザギザになってしまう等の欠
点をもっていた。

本発明によると形成されたAl−Ti膜の表面モルフォロ
ジーが画期的に改善され、上述の欠点は全て改善され
る。

コンタクトホール，スルーホール内の抵抗コンタクトホールの大きさが１μｍ×１μｍ以下と微
細になると、配線工程の熱処理中に配線中のSiがコンタ
クトホールの基体上に析出してこれを覆い、配線と素子
との間の抵抗が著しく大きくなる。

本発明によると表面反応によって緻密な膜が形成され
るのでAl−Tiは3.0〜6.0μΩcmの抵抗率を有することが
確認された。また、コンタクト抵抗は0.6μｍ×0.6μｍ
の面積においてSi部が10²⁰cm^-3の不純物を有する場合１
×10^-6Ω・cm²程度が達成できる。

つまり本発明によると基体と良好なコンタクトが得ら
れる。

つまり、パターニング工程において露光機の解像性能
限界の線巾においてアライメント精度３σ＝0.15μｍが
達成できハレーションを起こさず、なめらかな側面を有
する配線が可能となる。

配線工程中の熱処理の低温化あるいは廃止が可能であ
る。

以上詳細に説明したように本発明を半導体集積回路の
配線形成方法に適用することにより、従来のAl−Ti配線
に比べて格段に、歩止まりを向上させ、低コスト化を促
進することが可能となる。

（実施例１）まずAl−Ti成膜の手順は次の通りである。第１図に示
した装置を用い、排気設備９により、反応管２内を略々
１×10^-8Torrに排気する。ただし反応管２内の真空度は
１×10^-8Torrより悪くてもAl−Tiは成膜する。

Siウェハを洗浄後、搬送室10を大気圧に解放しSiウェ
ハを搬送室に装填する。搬送室を略々１×10^-6Torrに排
気し、その後ゲートバルブ13を開けウェハをウェハホル
ダ３に装着する。

ウェハをウェハホルダ３に装着した後、ゲートバルブ
13を閉じ、反応室２の真空度が略々１×10^-8Torrになる
まで排気する。

本実施例では第１のガスラインからDMAHを供給する。
DMAHラインのキャリアガスはH₂を用いた。第２のガスラ
インはH₂用、第３のガスラインはTiCl₄用とする。キャ
リアガスはやはりH₂である。

第２ガスラインからH₂を流し、スローリークバルブ８
の開度を調整して反応管２内の圧力を所定の値にする。
本実施例における典型的圧力は略々1.5Torrとする。そ
の後ヒータ４に通電しウェハを加熱する。ウェハ温度が
所定の温度に到達した後、DMAHライン，TiCl₄ラインよ
りそれぞれDMAH,TiCl₄を反応管内へ導入する。全圧は略
々1.5Torrであり、DMAH分圧を略々1.5×10^-4Torrとす
る。TiCl₄分圧は1.5×10^-6Torrとする。TiCl₄とDMAHを
反応管２に導入するとAl−Tiが堆積する。所定の堆積時
間が経過した後、DMAHおよびTiCl₄の供給を停止する。
次にヒータ４の加熱を停止し、ウェハを冷却する。H₂ガ
スの供給を止め反応管内を排気した後、ウェハを搬送室
に移送し、搬送室のみを大気圧にした後ウェハを取り出
す。以上がAl−Ti成膜手順の概略である。

各基板温度でそれぞれ10枚の試料に対して前述した手
順に従って全圧 1.5Torr DMAH分圧 1.5×10^-4Torr Ticl₄分圧 1.5×10^-6Torr なる条件でAl−Ti膜を堆積した。

基板温度を13水準に変化して堆積したAl−Ti膜を各種
の評価方法を用いて評価した。その結果を表１に示す。

つまり200℃〜400℃の温度範囲においてきわめて良質
な膜が得られた。

（実施例２）実施例１と同様の手順で全圧 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr 基板温度（Tsub） 300℃ と設定し、TiCl₄分圧を1.5×10^-7Torrから１×10^-4Torr
まで変化させて堆積を行った。形成されたAl−Ti膜中の
Ti含有量（Wt ％）は0.001％から4.2％までTiCl₄分圧に
だいたい比例して変化した。抵抗率，炭素含有，平均配
線寿命，堆積速度，ヒロック密度，スパイクの発生に関
しては実施例１と同様の結果が得られた。しかし3.5％
以上のTi含有量を有する試料は表面モルフォロジーが悪
化し、反射率が65％以下となった。Ti含有量３％未満の
試料の反射率は80〜90％であり、実施例１と同様であっ
た。

（実施例３）まずAl−Ti成膜の手順は次の通りである。排気設備９
により、反応管２内を略々１×10^-8Torrに排気する。反
応管２内の真空度が１×10^-8Torrより悪くてもAl−Tiは
成膜する。

Siウェハを洗浄後、搬送室10を大気圧に解放してSiウ
ェハを搬送室に装填する。搬送室を略々１×10^-6Torrに
排気してその後ゲートバルブ13を開けウェハをウェハホ
ルダ３に装着する。

ウェハをウェハホルダ３に装着した後、ゲートバルブ
13を閉じ反応室２の真空度が略々１×10^-8Torrになるま
で排気する。

本実施例では第１のガスラインをDMAH用とする。DMAH
ラインのキャリアガスはArを用いた。第２ガスラインは
H₂用である。第３のガスラインはTiCl₄用とする。

第２ガスラインからH₂を流し、スローリークバルブ８
の開度を調整して反応管２内の圧力を所望の値にする。
本実施例における典型的圧力は略々1.5Torrとする。そ
の後ヒータ４に通電しウェハを加熱する。ウェハ温度が
所望の温度に到達した後、DMAHライン，TiCl₄ラインよ
りそれぞれDMAH,TiCl₄を反応管内へ導入する。全圧は略
々1.5Torrであり、DMAH分圧を略々1.5×10^-4Torrとす
る。TiCl₄分圧は1.5×10^-5Torrとする。TiCl₄とDMAHを
反応管２に導入するとAl−Tiが堆積する。所望の堆積時
間が経過した後DMAHおよびTiCl₄の供給を停止する。次
にヒータ４の加熱を停止し、ウェハを冷却する。H₂ガス
の供給を止め反応管内を排気した後ウェハを搬送室に移
送し搬送室のみを大気圧にした後ウェハを取り出す。以
上がAl−Ti成膜の概略である。

このようにして形成された堆積膜は抵抗率，炭素含有
率，平均配線寿命，堆積速度，ヒロック密度，スパイク
の発生および反射率に関しては実施例１と同様の結果を
得た。

（実施例４）実施例３と同様の手順で全圧 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr 基板温度（Tsub） 300℃ と設定し、TiCl₄分圧を1.5×10^-7Torrから１×10^-4Torr
まで変化させて堆積を行った。形成されたAl−Ti膜中の
Ti含有量（Wt％）は0.001％から4.2％までTiCl₄分圧に
だいたい比例して変化した。抵抗率，炭素含有，平均配
線寿命，堆積速度、ヒロック密度，スパイクの発生に関
しては実施例１と同様の結果が得られた。しかし3.5％
以上のTi含有量を有する試料は表面モルフォロジーが悪
化することで、反射率が65％以下となった。Ti含有量３
％未満の試料の反射率は80〜90％であり実施例１と同様
であった。

（実施例５） Si基板を第２図に示した減圧CVD装置に入れ、同一バ
ッヂ内でAl−Ti膜を成膜した。成膜条件は反応管圧力0.
3Torr,DMAH分圧3.0×10^-5Torr,TiCl₄分圧0.7×10^-6Tor
r,基体温度300℃，成膜時間10分である。

このような条件で成膜した結果、7000ÅのAl−Ti膜が
堆積した。Al−Ti膜の膜質は実施例１で示した基体温度
300℃のものと同一の性質を示し非常に良好であった。

（実施例６）原料ガスにMMAH₂を用いて、全圧力 1.5Torr MMAH₂分圧５×10^-4Torr TiCl₄分圧 0.7×10^-5Torr と設定し、実施例１と同様の手順で堆積を行なったとこ
ろ、基体温度160℃から400℃の温度範囲において、実施
例１と同様に炭素不純物を含まない平坦性、緻密性に優
れたAl−Ti薄膜が堆積した。

（実施例７） Siを含む原料としてTiCl₄に替えてTi(CH₃)₄を用いて
実施例１と同様に手順で全圧力 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr Ti(CH₃)₄ 1.5×10^-5Torr と設定し、堆積を行ったところ、基体温度160℃から400
℃の温度範囲において、実施例１と同様に炭素不純物を
含まない平坦性，緻密性に優れたAl−Ti薄膜が堆積し
た。

（実施例８）まずAl−Si−Ti成膜の手順は次の通りである。第１図
に示した装置を用い、排気設備９により、反応管２内を
略々１×10^-8Torrに排気する。ただし反応管２内の真空
度は１×10^-8Torrより悪くてもAl−Si−Tiは成膜する。

本実施例では第１のガスラインからDMAHを供給する。
DMAHラインのキャリアガスはH₂を用いた。第２のガスラ
インはH₂用、第３のガスラインはH₂希釈したTiCl₄用、
第４のガスラインはSi₂H₆用とする。また、第３のガス
ライン、混合器および反応管を予備加熱して180℃±10
℃に設定しておく。

第２ガスラインからH₂を流し、スローリークバルブ８
の開度を調整して反応管２内の圧力を所定の値にする。
本実施例における典型的圧力は略々1.5Torrとする。そ
の後ヒータ４に通電しウェハを加熱する。ウェハ温度が
所定の温度に到達した後、DMAHライン，TiCl₄ライン，S
i₂H₆ラインよりそれぞれDMAH,TiCl₄，Si₂H₆を反応管内
へ導入する。全圧は略々1.5Torrであり、DMAH分圧を略
々1.5×10^-4Torrとする。TiCl₄分圧は１×10^-6Torr,Si₂
H₆分圧は１×10^-5Torrとする。Si₂H₆とDMAHを反応管２
に導入するとAl−Si−Tiが堆積する。所定の堆積時間が
経過した後、DMAH,TiCl₄およびSi₂H₆の供給を停止す
る。次にヒータ４の加熱を停止し、ウェハを冷却する。
H₂ガスの供給を止め反応管内を排気した後、ウェハを搬
送室に移送し、搬送室のみを大気圧にした後ウェハを取
り出す。以上がAl−Si−Ti成膜手順の概略である。

ウェハを用意し、前述した手順に従って全圧 1,5Torr DMAH分圧 1.5×10^-4Torr TiCl₄分圧１×10^-6Torr Si₂H₆分圧１×10^-5Torr なる条件でAl−Si−Ti膜を5000Å堆積し、通常のフォト
リソグラフィ技術を用いて、試験用にAl−Si−Tiを2,4,
6μｍの幅に残すように、パターニングを行なった。

堆積基板温度（Ts）を変化させて堆積した膜の評価を
行った結果、ほぼ表１に相当するような好ましい結果が
得られた。

（実施例９）実施例８と同様の手順で全圧 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr Si₂H₆分圧１×10^-5Torr 基板温度（Tsub） 300℃ と設定し、TiCl₄分圧を５×10^-7Torrから１×10^-4Torr
の範囲で変化させて堆積を行い、Ti含有量（Wt％）は0.
3％から４％までのAl−Si−Tiを形成した。抵抗率，炭
素含有量，平均配線寿命，堆積速度，ヒロック密度に関
してはほぼ実施例１と同様の結果が得られた。

（実施例10）実施例８と同様の手順で全圧 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr TiCl₄分圧１×10^-6Torr 基板温度（Tsub） 300℃ と設定し、Si₂H₆分圧を1.5×10^-7Torrから１×10^-4Torr
まで変化させて堆積を行った。形成されたAl−Si−Ti膜
中のSi含有量（Wt％）は0.005％から５％までSi₂H₆分圧
にほぼ比例して変化した。抵抗率，平均配線寿命，堆積
速度，ヒロック密度に関しては実施例８と同様の結果が
得られた。しかし４％以上のSi含有量を有する試料は膜
中にSiと思われる析出物が生じ表面モルフォロジーが悪
化し、反射率が60％以下となった。Si含有量４％未満の
試料の反射率は80〜95％であり、実施例６と同様であっ
た。

（実施例11）実施例６と同様の手順で全圧 1.5Torr DMAH分圧５×10^-4Torr Si₂H₆ １×10^-5Torr TiCl₄分圧１×10^-6Torr と設定しAl−Si−Tiの堆積を行った。

基板温度160℃〜400℃の温度範囲において、実施例６
と同様に、耐マイグレーション性に優れた平坦，緻密性
に優れたAl−Si−Ti膜が得られた。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、低抵抗，緻
密，かつ平坦なAl−TiあるいはAl−Si−Ti膜を基体上に
堆積させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用可能な堆積膜形成装置の一例を示
す模式図、第２図は本発明を適用可能な堆積膜形成装置の他の例を
示す模式図である。１…基体、２…反応管、３…基体ホルダ、４…ヒータ、
５…混合器、６…気化器、７…ゲートバルブ、８…スロ
ーリークバルブ、９…排気ユニット、10…搬送室、11…
バルブ、12…排気ユニット、50…石英製外側反応管、51
…石英製内側反応管、52…原料ガス導入ライン、53…ガ
ス排気口、54…金属製フランジ、56…基体保持具、57…
基体、58…ガスの流れ、59…ヒータ部。

フロントページの続き (72)発明者近江和明東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者松本繁幸東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭62−136571（ＪＰ，Ａ) 特開平１−179416（ＪＰ，Ａ) 特開平１−198475（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−67135（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）電子供与性の表面を備えた基体を堆
積膜形成用の空間に配する工程、（ｂ）アルキルアルミニウムハイドライドのガスとチタ
ン原子を含むガスと水素ガスとを前記堆積膜形成用の空
間に導入する工程、および（ｃ）前記アルキルアルミニウムハイドライドおよび前
記チタン原子を含むガスの分解温度以上でかつ450℃以
下の範囲内に前記電子供与性の表面の温度を維持し、該
電子供与性の表面にチタンを含むアルミニウム膜を形成
する工程を有することを特徴とする堆積膜形成法。
【請求項２】前記アルキルアルミニウムハイドライドが
ジメチルアルミニウムハイドライドであることを特徴と
する請求項１に記載の堆積膜形成法。
【請求項３】前記アルキルアルミニウムハイドライドが
モノメチルアルミニウムハイドライドであることを特徴
とする請求項１に記載の堆積膜形成法。
【請求項４】前記チタン原子を含むガスがTiCl₄である
ことを特徴とする請求項１に記載の堆積膜形成法。
【請求項５】（ａ）電子供与性の表面を備えた基体を堆
積膜形成用の空間に配する工程、（ｂ）アルキルアルミニウムハイドライドのガスとシリ
コン原子を含むガスとチタン原子を含むガスと水素ガス
とを前記堆積膜形成用の空間に導入する工程、および（ｃ）前記アルキルアルミニウムハイドライド、前記シ
リコン原子を含むガスおよび前記チタン原子を含むガス
の分解温度以上でかつ450℃以下の範囲内に前記電子供
与性の表面の温度を維持し、該電子供与性の表面にシリ
コンおよびチタンを含むアルミニウム膜を形成する工程
を有することを特徴とする堆積膜形成法。
【請求項６】前記アルキルアルミニウムハイドライドが
ジメチルアルミニウムハイドライドであることを特徴と
する請求項５に記載の堆積膜形成法。
【請求項７】前記アルキルアルミニウムハイドライドが
モノメチルアルミニウムハイドライドであることを特徴
とする請求項５に記載の堆積膜形成法。
【請求項８】前記チタン原子を含むガスがTiCl₄である
ことを特徴とする請求項５に記載の堆積膜形成法。