JP2670152B2 - 堆積膜形成法 - Google Patents

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−CuあるいはAl−
Si−Cu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）が用いられ
てきた。ここで、Al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。

ところで、LSI等の集積回路の集積度が増大し、配線
の微細化や多層配線化などが近年特に必要とされるよう
になってきたため、従来のAl配線に対してこれまでにな
い厳しい要求が出されるようになってきている。集積度
の増加による寸法微細化に伴って、LSI等の表面は酸
化，拡散，薄膜堆積，エッチングなどにより凹凸が激し
くなっている。例えば電極や配線金属は段差のある面上
へ断線なく堆積されたり、径が微小でかつ深いビアホー
ル中へ堆積されなければならない。4Mbitや16MbitのDRA
M（ダイナミックRAM）などでは、Alを堆積しなければな
らないビアホールのアスペクト比（ビアホール深さ÷ビ
アホール直径）は1.0以上であり、ビアホール直径自体
も１μｍ以下となる。従って、アスペクト比の大きいビ
アホールにもAlを堆積できる技術が必要とされる。

特に、SiO₂等の絶縁膜の下にあるデバイスに対して確
実な接続を行うためには、成膜というよりむしろデバイ
スのビアホールのみを穴埋めするようにAlを堆積する必
要がある。このためには、Siや金増表面にのみAlを堆積
させ、SiO₂などの絶縁膜上には堆積させない方法を要す
る。

このような選択堆積ないし選択成長は従来用いられて
きたスパッタ法では実現できない。それは段差部や絶縁
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、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からである。

基板にバイアスを印加し、基板表面でのスパッタエッ
チング作用と堆積作用とを利用して、ビアホールのみに
Alを埋込むように堆積を行うバイアススパッタ法が開発
されている。しかし基板に数100V以上のバイアス電圧が
印加されるために、荷電粒子損傷により例えばMOS−FET
の閾値が変化してしまう等の悪影響が生ずる。また、エ
ッチング作用と堆積作用とが混在するため、本質的に堆
積速度が向上しないという問題点もある。

上記のような問題点を解決するため、様々なタイプの
CVD（Chemical Vapor Deposition）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こる。これらのCVD法では
気相中での反応があるので、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。また、ビアホール内での堆積が起き易いと期待
できる。さらに段差部での断線なども避けられる。

このためAl膜の形成方法として熱CVD法が種々研究さ
れている。一般的な熱CVDによるAl膜の形成方法として
は有機アルミニウムをキャリアガスに分散して加熱基板
上へ輸送し、基板上でガス分子を熱分解して膜形成する
という方法が使われる。例えばJournal of Electrochem
ical Society第131巻2175ページ（1984年）に見られる
例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（ｉ−C₄H₉）₃Al（TIBA）を用い、成膜温度260
℃、反応管圧力0.5torrで成膜し、3.4μΩ・cmの膜を形
成している。

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板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
（例えは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
く変えるので、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TIBAのガス温度を基板温度よりも高
くすることができるように装置を設計する。この方法は
上記特開昭63−33569号の変形ともみなせる。この方法
でも金属や半導体上のみにAlを選択成長させることがで
きるが、ガス温度と基体表面温度との差を精度よく制御
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,Al選択成長の選択性が余り長い時間
維持できないなどの問題点がある。

以上のように、従来の方法はAlの選択成長を必ずしも
うまく起せず、仮にできたとしてもAl膜の平坦性，抵
抗，純度などに問題がある。また、その成膜方法も複雑
で制御が難しいという問題点があった。

そこで、本発明者等は、まず配線材料そのものについ
て検討すべくAl−CuあるいはAl−Si−Cuをターゲットと
して用いたスパッタリング法によりAl−CuあるいはAl−
Si−Cuの堆積膜を形成し検討した。

しかし、Alをしのぎ平坦性、緻密性、選択性において
前述した要求を満たす程の良質な膜は得られなかった。

［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系金属膜を制御性良く所
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。

本発明の別の目的は、平坦性、緻密性に優れエレクト
ロマイグレーション、ストレスマイグレーションに強い
堆積膜を形成することにある。

本発明の他の目的は、 例えば1.0μｍ以下の配線が望まれる半導体集積回路
装置に十分適用可能な堆積膜を形成することにある。

［課題を解決するための手段］ そのため、本発明では、 （ａ）電子供与性の表面（Ａ）と非電子供与性の表面
（Ｂ）とを有する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銅原
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（Ａ）の温度を維持し、アルミニウム膜を該電子供与
性の表面（Ａ）に選択的に形成する工程を有することを
特徴とする。

また、本発明では、 （ａ）電子供与性の表面（Ａ）と非電子供与性の表面
（Ｂ）とを有する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Siを
含むガスと銅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（Ａ）の温度を維持し、アルミニウム膜を該電子供与
性の表面（Ａ）に選択的に形成する工程を有することを
特徴とする。

［作用］ 上記基体の表面（Ａ）に対して、Alを含むガスと、Cu
を含むガスと水素ガス、あるいはさらにSiを含むガスと
の反応系においてAl−CuあるいはAl−Si−Cuは単純な熱
反応のみで堆積する。

すなわち、例えば以上のガスの混合気体が、適切な温
度範囲に加熱された基体上に供給され、上記空間内の圧
力を適切に定めることにより、表面（Ａ）にのみにAl−
CuあるいはAl−Si−Cuが析出し、連続膜が形成されてこ
れが成長する。従って低抵抗，緻密かつ平坦なAl−Cuあ
るいはAl−Si−Cu膜を基体上に選択的に堆積させること
ができる。

［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良質のAl−Cu
膜またはAl−Si−Cu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Si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選択的にAl系金属膜を形成す
る。

本発明の適用可能な基体は、Al−Siの堆積する表面を
形成するための第１の基体表面材料と、Al−Siの堆積し
ない表面を形成するための第２の基体表面材料とを有す
るものである。そして、第１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原子間で電子
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。

これに対して、Al−CuあるいはAl−Si−Cuが選択的に
堆積しない表面を形成する材料、すなわち非電子供与性
材料としては、熱酸化,CVD等により酸化シリコン,BSG,P
SG,BPSG等のガラスまたは酸化膜、シリコンの熱窒化
膜，プラズマCVD,減圧CVD,ECR−CVD等によるシリコン窒
化膜等である。

このような構成の基体に対して、Al−Si−Cuあるいは
Al−Cu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、Si₂H₆等およびアルキル銅化合物たとえばCu(C₅
H₇O₂)₂等の添加によりAl−Si−CuまたはAl−Cuが形成さ
れるのは基体表面に到達したSi₂H₂およびCu(C₅H₇O₂)₂が
表面化学反応により分解し、SiおよびCu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−CuおよびAl−Si−Cu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。

ここでは、１はAl系金属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。

20は原料ガスとキャリアガスのライン、21は反応ガス
であるH₂のライン、22は添加物を混入させるためのSi原
子を含むガスの供給ラインであり、必要に応じて開閉を
バルブ（図示せず）によって行なう。

23はさらに別の添加物を混入させるためのCu原子を含
むガスの供給ラインである。

さらに本装置の添加物ガスライン23,混合器5,反応管
２は250℃まで加熱可能な構造を有する 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、ターボ分子
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、原料ガスを生成するための気化
器６においては、室温に保持されている液体状のDMAlH
に対して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、これをガスライン20を介して混合器５に輸送す
る。反応ガスとしてのH₂はライン21から混合器５に輸送
される。Cu原子を含む添加ガスはライン23を介して混合
器５へ輸送される。また、必要に応じてSi原子を含む添
加ガスはライン22を介して混合器５へ輸送される。ガス
はそれぞれその分圧が所望の値と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1Torr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（添加ガス）としてのCuを含むガ
スとしては、ビスアセチルアセトナト銅Cu(C₅H₇O₂)₂，
ビスジピバロイルメタナト銅Cu(C₁₁H₁₉O₂)₂，ビスヘキ
サフルオロアセチルアセトナト銅Cu(C₅HF₆O₂)₂を用いる
ことができる。

その中でも炭素含有量が最も少なくかつＦを含まない
Cu(C₂H₇O₂)₂が、最も好ましい。

ただし上記材料は、室温で固体であり、昇華輸送する
必要があるため、第２の原料ガス（添加ガス）ライン2
3,混合器5,反応管２は180℃程度に予備加熱する必要が
ある。

また、第２の原料ガスライン23はArあるいはH₂のキャ
リアガスを流すとより効果的である。

また、第３の原料ガスとしてのSiを含むガスとして
は、Si₂H₆，SiH₄，Si₃H₈，Si(CH₃)₄，SiCl₄，SiH₂Cl₂，
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Arで
希釈されたSi₂H₆等のガスはDMAHと別系統のライン22か
ら必要に応じて混合器５に輸送され、反応管２に供給さ
れる。

第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明によるAl−Si−Cu膜の
選択成長の様子を示す。

第２図（ａ）は本発明によるAl−Si−Cu堆積膜形成前
の基体の断面を模式的に示す図である。90は電子供与性
材料からなる基板、91は非電子供与性材料からなる薄膜
である。

原料ガスとしてのDMAH,Cu(C₅H₇O₂)₂，Si₂H₆および反
応ガスとしてのH₂を含んだ混合気体がDMAHの分解温度以
上かつ450℃以下の温度範囲内に加熱された基体１上に
供給されると、基体90上にAl−Si−Cuが析出し、第２図
（ｂ）に示すようにAl−Si−Cuの連続膜が形成される。
ここで、反応管２内の圧力は10^-3〜760Torrが望まし
く、DMAH分圧は上記反応管内圧力の1.5×10^-5〜1.3×10
^-3倍が好ましい。Cu(C₅H₇O₂)₂分圧は反応管２内の圧力
の５×10^-5〜５×10^-4倍とすることが望ましく、Si₂H₆
分圧は反応管２内の圧力の１×10^-7〜１×10^-4倍とする
ことが望ましい。

上記条件でAl−Si−Cuの堆積を続けると、第２図
（ｃ）の状態を経て、第２図（ｄ）に示すように、Al−
Si−Cu膜は薄膜91の最上部のレベルにまで成長する。さ
らに同じ条件で成長させると、第２図（ｅ）に示すよう
に、Al−Si−Cu膜は横方向にほとんど成長することなし
に、5000Åにまで成長可能である。これは、本発明によ
る堆積膜の最も特徴的な点であり、如何に良質の膜を良
好な選択性の下に形成可能であるかが理解できよう。

そしてオージュ電子分光法や光電子分光法による分析
の結果、この膜には炭素や酸素のような不純物の混入が
認められない。

このようにして形成された堆積膜の抵抗率は、膜厚40
0Åでは室温で2.7〜3.0μΩ・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。また、膜厚１μ
ｍであっても、その抵抗率はやはり室温で略々2.7〜3.0
μΩ・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^-3Torrの
とき堆積速度は400Å／分〜1000Å／分と非常に大き
く、超LSI用Al−Si−Cu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−Si−Cu膜は配向性も強く、かつ450
℃,1hourの熱処理を行ってもSi単結晶,Si多結晶基体、
もしくは酸化膜上においてヒロック，スパイクの発生も
ない良質のAl−Si−Cu膜となる。また、このようなAl−
Si−Cu膜はエレクトロマイグレーション耐性に優れてお
り、かつSiおよびCuの量を容易に制御することができ
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−Si−Cuを堆積することができない。略々800
Å／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−Si−Cu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−Cu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
CVD法であればDMAHと、H₂とCu(C₅H₇O₂)₂等のCu原料ガス
およびSi₂H₆等のSi原料ガスとを添加することにより、C
uを0.5〜2.0％、Siを0.5〜2.0％を含むAl−Si−Cu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220℃〜450℃，望ましくは250℃〜400
℃、DMAH分圧は反応管内圧力の１×10^-5倍〜1.3〜10^-3
倍、Cu(C₅H₇O₂)₂分圧は反応管内圧力の５×10^-7倍〜５
×10^-4倍、Si₂H₆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−Si−Cuが電子供与性基体上
にのみ堆積する。

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−Si−CuあるいはAl−Cu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，第４のガス系お
よび混合器を有し（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。第
３の原料ガスラインおよび原料ガス導入ライン52は、第
１図に示す装置と同様に加熱機構を有する。原料ガスお
よび反応ガスは、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−Si−Cu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−
Si−Cu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−Si−Cu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バルク並であり且つ表面平滑
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−Si−Cu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−Si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０〜100個／cm²と大幅に達成できた。このようにAl−
Si−Cu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。

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200℃,1×10⁵ A/cm²の通電試
験条件下で、配線断面積２μm²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−Si−Cu成膜法により得られたAl−Si−Cu膜
は、上記試験により、断面積２μm²の配線で最大４×10
³時間の平均配線寿命が得られた。

コンタクトホール，スルーホール内の抵抗およびコン
タクト抵抗の向上。

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
るのでコンタクトホール，スルーホール内部に完全に充
填されたAl−Si−Cuは2.7〜3.3μΩcm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0.8μｍ×
0.8μｍの孔においてSi部が10²⁰cm^-3の不純物を有する
場合１×10^-6Ω・cm²が達成できる。

つまり本発明によると微細な孔中に完全に配線材をう
め込むことができ、且つ基体と良好なコンタクトが得ら
れる。従って本発明は１μｍ以下の微細プロセスにおい
て最大の問題であったホール内抵抗およびコンタクト抵
抗の向上に大いに貢献できる。

（実施例１） まずAl−Si−Cu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−Cu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Cu(C₅H₇O₂)₂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，Cu(C₅H₇O₂)₂ラ
イン，Si₂H₆ラインよりDMAH,Cu(C₅H₇O₂)₂，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。Cu(C₅H₇O₂)₂分圧は１×10
^-6Torr，Si₂H₆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−Cuが堆積する。所定の
堆積時間が経過した後、DMAH,Cu(C₅H₇O₂)₂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−Cu成膜手順の概
略である。

次に本実施例における試料作製を説明する。

Si基体（Ｎ型１〜２Ωcm）を水素燃焼方式（H₂:3l/M,
O₂:2l/M）により1000℃の温度で熱酸化を行なった。

上記酸化膜付ウェハを用意し、前述した手順に従って 全圧 1.5Torr DMAH分圧 1.5×10^-4Torr Cu(C₅H₇O₂)₂分圧 １×10^-6Torr Si₂H₆ １×10^-5Torr なる条件でAl−Si−Cu膜を5000Å堆積し、通常のフォト
リソグラフィ技術を用いて、Al−Si−Cu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お
よびAl−Si−Cuの配線幅を変化させた場合の評価を表１
に示す。

上記試料において、220℃〜400℃の温度範囲におい
て、ヒロックのきわめて少なく、かつ耐エレクトロマイ
グレーション性に、優れた膜を得ることができた。

また、本Al−Si−Cuのパターニング性もきわめて良好
であった。

（実施例２） 第３図に示した減圧CVD装置を用いて以下に述べるよ
うな構成の基体Al−Si−Cu膜を形成した。

電子供与性である第１の基体表面材料としての単結晶
シリコンの上に、非電子供与性である第２の基体表面材
料としての熱酸化SiO₂膜を形成し、フォトリソグラフィ
ー工程によりパターニングを行い、単結晶シリコン表面
を部分的に露出させた。

この時の熱酸化SiO₂膜の膜厚は7000Å、単結晶シリコ
ンの露出部即ち開口の大きさは３μｍ×３μｍであっ
た。このようにしてサンプルを準備した（以下このよう
なサンプルを“熱酸化SiO₂（以下T-SiO₂と略す）／単結
晶シリコン”と表記することとする）。

同様に、以下に示すサンプルを作製した。

常圧CVDによって成膜した酸化膜（以下SiO₂と略す）
／単結晶シリコン、 常圧CVDによって成膜したリンドープの酸化膜（以下P
SGと略す）／単結晶シリコン、 常圧CVDによって成膜したリンおよびボロンドープの
酸化膜（以下BSPGと略す）／単結晶シリコンである。

これらサンプルおよびAl₂O₃基板，SiO₂ガラス基板を
第３図に示した減圧CVD装置に入れ、同一バッヂ内でAl
−Si−Cu膜を成膜した。成膜条件は反応管圧力0.3Torr,
DMAH分圧３×10^-5Torr，Cu(C₅H₇O₂)₂分圧１×10^-7Tor
r，Si₂H₆分圧１×10^-6Torr，基体温度300℃，成膜時間1
0分である。

このような条件で成膜した結果、パターニングを施し
たサンプルに関しては全て、電子供与性であるSi基体表
面にのみAl−Si−Cu膜の堆積が起こり、7000Åの深さの
開口部を完全に埋めつくした。Al−Si−Cu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。一方非電子供与性である第２の
基体表面にはAl−Si−Cu膜は全く堆積せず完全な選択性
が得られた。非電子供与性であるAl₂O₃基板およびSiO₂
ガラス基板にもAl−Si膜は全く堆積しなかった。

（実施例３） 実施例１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、Cu(C₅H₇O₂)₂分圧を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
−Cu膜中のCu含有量（Wt％）は0.3％から４％までCu(C₅
H₇O₂)₂分圧により変化した。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実施例１
と同様の結果が得られた。しかし３％以上のCu含有量を
有する試料は表面モルフォロジーが悪化した。また実施
例２と同様に基体表面材料による選択堆積性も全領域で
確認された。

（実施例４） 実施例１と同様の手順で 全圧 1.5Torr DMAH分圧 ５×10^-4Torr Cu(C₅H₇O₂)分圧 １×10^-6Torr 基板温度（Tsub） 300℃ と設定し、Si₂H₆分圧を1.5×10^-7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−Cu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１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65％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１と同様であっ
た。また実施例２と同様に基体表面材料による選択堆積
性も全領域で確認された。

（実施例５） 実施例１と同様の手順で 全圧 1.5Torr DMAH分圧 ５×10^-4Torr Cu(C₅H₇O₂)分圧 １×10^-6Torr 基板温度 300℃ と設定しSi₂H₆をまったく流さずに堆積を行なった。形
成されたAl−Cu膜中のCu含有量は0.5％であり耐エレク
トロマイグレーションに関する評価では実施例１以上の
結果が得られた。

また実施例１と同様に基体表面材料による選択堆積性も
確認された。

（実施例６） 実施例１と同様の手順で 全圧 1.5Torr DMAH分圧 ５×10^-4Torr Si₂H₆ １×10^-5Torr Cu(C₁₁H₁₉O₂)₂分圧 １×10^-6Torr と設定しAl−Si−Cuの堆積を行なった。

基板温度220℃〜400℃の温度範囲において、実施例１
と同様に、耐マイグレーション性に優れた平坦，緻密お
よび基体表面材料による選択性に優れたAl−Si−Cu膜が
得られた。

（実施例７） 実施例１と同様の手順で 全圧 1.5Torr DMAH分圧 ５×10^-4Torr Si₂H₆分圧 １×10^-5Torr Cu(C₅HF₆O₂)₂分圧 １×10^-6Torr と設定し、Al−Si−Cuの堆積を行なった。

基板温度220℃〜400℃の温度範囲において、実施例１
と同様に、耐マイグレーション性に優れた平坦，緻密お
よび基体表面材料による選択性に優れたAl−Si−Cu膜が
得られた。

（実施例８） 実施例２と同様に、第３図に示した減圧CVD装置を用
いて以下に述べるような構成の基体Al−Si−Cu膜を形成
した。

電子供与性である第１の基体表面材料としての単結晶
シリコン表面の選択的に10²⁰cm^-3のリンを拡散させ、そ
の上に、非電子供与性である第２の基体表面材料として
の熱酸化SiO₂膜を形成し、一般的なフォトリソグラフィ
ー工程によりパターニングを行い、単結晶シリコン表面
を部分的に露出させた。

この時の熱酸化SiO₂膜の膜厚は7000Å、単結晶シリコ
ンの露出部即ち開口の大きさは0.8μｍ×0.8μｍであっ
た。このようにしてサンプルを準備した。

これらのサンプルを第３図に示した減圧CVD装置に入
れ、同一バッヂ内でAl−Si−Cu膜を成膜した。成膜条件
は反応管圧力0.3Torr,DMAH分圧３×10^-5Torr，Si₂H₆分
圧１×10^-6Torr，Cu(C₅H₇O₂)₂分圧１×10^-7Torr，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、パターニングを施し
たサンプルに関しては全て、電子供与性であるシリコン
基体表面にのみAl−Si−Cu膜の堆積が起こり、7000Åの
深さの開口部を完全に埋めつくした。Al−Si−Cu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。一方非電子供与性である
酸化膜表面にはAl−Si−Cu膜は全く堆積せず完全な選択
性が得られた。

さらに、シリコンのリン拡散した領域と堆積したAl−
Si−Cu膜とのコンタクト抵抗が８×10^-7〜1.2×10^-6Ω
・cm²が得られた。つまりバリアメタル等をビアホール
内に設置することなく、ビアホール内が堆積Al−Si−Cu
で充填されかつ良好なコンタクト抵抗およびホール内抵
抗を得ることができた。

［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−Si−CuおよびAl−Cu膜を基体上に選
択的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図は本発明による堆積膜形成法を説明する模式的断
面図、 第３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、20…原料ガスライン、21…
反応ガスライン、22…第２の原料ガスライン、23…第３
の原料ガスライン、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 (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3205 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｎ (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 平１−198475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−67135（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−33569（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）電子供与性の表面（Ａ）と非電子供
   与性の表面（Ｂ）とを有する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銅原
   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（Ａ）の温度を維持し、アルミニウム膜を該電子供与
   性の表面（Ａ）に選択的に形成する工程を有することを
   特徴とする堆積膜形成法。
2. 【請求項２】（ａ）電子供与性の表面（Ａ）と非電子供
   与性の表面（Ｂ）とを有する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
   コンを含むガスと銅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（Ａ）の温度を維持し、アルミニウム膜を該電子供与
   性の表面（Ａ）に選択的に形成する工程を有することを
   特徴とする堆積膜形成法。
3. 【請求項３】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または２に記載の堆積膜形成方法。
4. 【請求項４】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または２に記載の堆積膜形成方法。