JP3094034B2 - アルミニウム単結晶膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体素子等の配線として用いられるア
ルミニウム薄膜の製造方法に関する。

［従来の技術］ 半導体素子の配線材料としては、安価で、電気の良導
体であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の薄膜が
一般に用いられている。現在、ICの配線は、スパッタ法
で作成した膜をパターニングして用いている。ICの高集
積化が進むにつれて、スパッタ法で作成したアルミニウ
ム膜の信頼性の問題が指摘されている。すなわち、エレ
クトロマイグレーション（配線に通電した場合に電子の
流れる方向にアルミニウム原子が輸送されて断線に至る
現象）や、ストレスマイグレーション（アルミニウム配
線に絶縁保護膜を被覆して高温保持した場合に保護膜の
応力によりアルミニウム配線が断線する現象）の問題で
ある。これらの問題は、スパッタ法で作成したアルミニ
ウム膜が多結晶であって膜中に多くの結晶粒界が存在し
ているために結晶粒界に沿ってアルミニウム原子が拡散
しやすいために生じると考えられている。これらの不都
合を根本的に解決するには結晶粒界の存在しない単結晶
のアルミニウム膜を配線材料として用いればよい。現在
のところ、アルミニウム単結晶膜を作成する方法はいく
つか知られている。そのうち、実際の半導体素子で使用
されているSi（100）のウェーハの上にアルミニウム単
結晶膜が作成可能な方法としては、バイアス・スパッタ
法と、ガス温度制御CVD法（Gas Temperature Controlle
d CVD法、以下GTC−CVD法と呼ぶ。）がある。

なお、ウェーハ表面が結晶の（100）面に平行になっ
ているものをSi（100）と呼ぶことにする。以下、この
明細書ではこのような表現法を使う。

上述のバイアス・スパッタ法では、Si（100）の基板
上にアルミニウム（111）の単結晶膜が作成可能である
が、装置が非常に複雑であること、また100MHzといった
高い周波数の電源が必要になることなど、実用上の困難
が多い。これに対して、GTC−CVD法は、トリイソブチル
アルミニウム（以下、TIBAと呼ぶ。）を原料としてSi
（100）基板上にアルミニウム（100）の単結晶膜が作成
可能であり、装置構成が単純で大面積基板上にも均一な
成膜が可能であるという長所を有する。この種の装置の
構造に関しては本願出願人の出願に係る特開平２−3856
9号に述べられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、GTC−CVD法でのSi（100）基板上へのアルミ
ニウム（100）単結晶膜の作成には次のような欠点があ
る。原料のTIBAの流量を増していくとSi（100）基板上
に堆積したアルミニウム膜の表面の面指数が（100）か
ら（110）に変化して、多結晶膜が成長し始める。成膜
速度は原料の流量に依存して大きくなるため、アルミニ
ウム（110）にならないようにアルミニウム（100）の単
結晶膜を作成しようとすると、成膜速度をあまり大きく
できず、実用上の困難があった。しかし、時によっては
１μm/min程度の高速で成膜が可能な場合もある。この
現象は、次のように考えられる。TIBAはもともと不安定
な物質であり、室温においても長期間放置すると部分的
に分解することが知られている。この分解により生じた
中間生成物がアルミニウム（100）単結晶膜の成長に好
都合であると想像される。GTC−CVDの原理は、原料のTI
BAを予備的に加熱してこれを基板に供給する点にある。
この予備加熱によりTIBAはアルミニウム（100）が成長
しやすいような適当な中間生成物に分解する。そのた
め、原料のTIBAの流量を増すと中間生成物の割合が減少
し、（110）配向のアルミニウム多結晶膜が得られるも
のと思われる。この（110）配向の多結晶膜は基板の結
晶方位を反映したエピタキシャル膜であり、２種類のグ
レインから構成されている。この様子を第３図に示す。
第３図の（Ａ）はSi結晶の（100）面の原子配列を示し
たもので、Si原子を大きい黒丸で示してある。第３図の
（Ｂ）と（Ｃ）はアルミニウム結晶の（110）面の原子
配列を示したもので、アルミニウム原子を小さい黒丸で
示してある。

Si結晶はダイヤモンド構造の立方晶であり、Siの（10
0）面においては、ダイヤモンド構造の単位格子は第３
図（Ａ）の斜線で示したような正方形となっている。そ
の一辺の長さは5.43オングストロームである。この正方
形の各辺の方向は［010］と［001］である。この正方形
に対して45゜傾斜した直交軸を考えると、これが［01
1］と［011］となり、この直交軸の方向では3.84オング
ストロームの間隔でSi原子が並ぶことになる。すなわ
ち、Si結晶の（100）面においては、一辺が3.84オング
ストロームの正方格子が存在する。

なお、結晶の方向を表す方向指数が負の場合には、数
字の上に横線を引くのが一般的な表現方法であるが、こ
の明細書では数字の下に横線を引いて表すものとする。
結晶の面指数においても同様の表現方法を採用してい
る。

一方、アルミニウム結晶は面心立方晶であり、第３図
（Ｂ）において、アルミニウムの（110）面では、［00
1］方向では4.05オングストローム間隔でアルミニウム
原子が並び、［110］方向では2.86オングストローム間
隔でアルミニウム原子が並んでいる。第３図（Ｃ）は
（Ｂ）の原子配列を（110）面内で90゜回転したもので
ある。

ここで、Siの原子配列の3.84オングストロームとアル
ミニウムの原子配列の2.86オングストロームとの長さの
比は、整数比4:3に非常に近い。そのため、Siの［011］
方向または［011］方向での原子配列の３周期分と、ア
ルミニウムの［110］方向での原子配列の４周期分とが
整合し、エピタキシャル成長がしやすくなるものと考え
られる。ところで、第３図（Ａ）のようなSi格子に対し
てアルミニウム原子の配列状況は第３図（Ｂ）と（Ｃ）
の２種類が考えられ、これがSi（100）基板上でのアル
ミニウム（110）膜の２種類のグレインに起因してい
る。

以上述べたように、従来のGTC−CVD法を利用したSi
（100）基板上へのアルミニウム（100）単結晶膜の作成
においては、アルミニウム（110）の多結晶膜の成長を
避けるためには、（１）高速で成膜しようとすると原料
を長期間使い込まなければならないといった成膜の不安
定性の問題があり、（２）新しいTIBAで安定性良くアル
ミニウム（100）単結晶膜を得ようとすると、流量を大
きくできず成膜速度が小さいといった欠点があった。

この発明は以上の欠点を解消するもので、その目的
は、安定性良く高速でSi基板上に作成することができる
アルミニウム単結晶膜の製造方法を提供することであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本願発明の方法で製造されるアルミニウム単結晶膜
は、Si結晶の［011］方向を軸にして基板表面がSi結晶
の（100）面から傾斜しているようなSi単結晶基板の上
に形成されていることを特徴としている。

Si結晶はダイヤモンド構造の立方晶なので、三つの等
価な結晶軸があり、結晶軸の取り方によっては、Si結晶
の（100）面は（010）面にも（001）面にもなりうる。
この発明は、これらの等価な格子面についても当然成立
するものであるから、「Si結晶の（100）面」とは、こ
れらの等価な格子面を代表する表現として理解すべきで
ある。同様に、Si結晶の［011］方向は、結晶軸の取り
方によっては、これと等価な［011］、［101］、［10
1］、［110］、［110］の五つの方向になりうる。した
がって、「Si結晶の［011］方向」とは、これらの等価
な格子方向を代表する表現として理解すべきである。た
だし、傾斜の軸の方向と、基板表面に対して傾斜する格
子面との組み合わせは、特定の組み合わせに限定され
る。すなわち、格子面（100）面に対しては傾斜の軸は
［011］方向または［011］方向であり、格子面（010）
面に対しては傾斜の軸は［101］方向または［101］方向
であり、格子面（001）面に対しては傾斜の軸は［110］
方向または［110］方向である。

さらに、本願発明の方法で製造されるアルミニウム単
結晶膜は、上述の特徴に加えて、Si単結晶基板の表面が
Si結晶の（100）面から５゜以上の角度で傾斜している
ことを特徴としている。

第１の発明のアルミニウム単結晶膜の製造方法は、Si
結晶の［011］方向を軸にして基板表面がSi結晶の（10
0）面から傾斜しているようなSi単結晶基板の上に、CVD
法によってアルミニウムの単結晶膜を形成することを特
徴としている。

第２の発明の製造方法は、第１の発明において、トリ
イソブチルアルミニウムを原料としてガス温度制御CVD
法でアルミニウムの単結晶膜を形成することを特徴とし
ている。

［作用］ ［011］方向を軸として基板表面をSi（100）面から傾
けた場合の基板表面は、微視的に見れば、第１図に示す
ように［011］方向に延びた（100）面のテラスと、ステ
ップ20とから構成されていると考えられる。第１図の破
線22は巨視的に見た基板表面を表している。Si結晶の
（100）面上には、前述のようにアルミニウムの２種類
のグレインが堆積することが考えられるが、この場合、
テラス幅方向すなわち［011］方向にはステップ20が存
在するために、アルミニウムの2.86オングストローム間
隔の原子配列がSi結晶の［011］方向に向くようなアル
ミニウム原子配列は、Siとの整合が良くない。そのた
め、アルミニウムの2.86オングストローム間隔の原子配
列は、テラスの延びた方向すなわち［011］方向に沿っ
て実現することになる。このように、基板表面を傾ける
ことによって生じたSiのテラスとステップが、２種類考
えられたアルミニウムのグレインを１種類に限定するよ
うに作用し、アルミニウムの単結晶成長を実現させてい
る。

このようなアルミニウム単結晶膜を製造するには、GT
C−CVD法を利用するのが最適である。すなわち、トリイ
ソブチルアルミニウムをバブリングして成長室に供給
し、このガスの温度を予備的に加熱してから基板に供給
する。

［実施例］ 第２図はこの発明のアルミニウム単結晶膜の製造方法
を実施するためのGTC−CVD装置の一例の正面断面図であ
る。この種の装置の機能および構成は、本願出願人の出
願に係る特開平２−38569号に詳しく述べられている。

この実施例では、基板６として表面がSi結晶の（10
0）面から8.9゜傾いた基板すなわちSi（911）基板を用
いている。この基板はその表面がSi結晶の（911）面に
平行になっている。原料であるTIBA1は蒸発室２に収容
され、その温度は約40℃に保たれている。マスフローコ
ントローラ（MFC）３で流量制御されたArガスは蒸発室
２に導入され、TIBAをバブリングして気化させる。気化
したTIBAは成長室４内に導入されるが、TIBAは、基板ヒ
ータ５で加熱された基板６に到達する前に、ヒータ７と
ガス拡散板８からなるガス温度制御装置９で予備的に加
熱される。成長室４内の圧力は圧力計10でモニターされ
る。この信号を自動圧力制御装置（APC）11を介して可
変コンダクタンスバルブ12にフィードバックすることに
より圧力は一定に保たれる。成長室４内のガスは矢印14
の方向にある真空排気系で排気される。また、成長室４
内へ空気成分が混入するのを防ぐためにロードロック室
13が設けてあり、別の排気系で真空排気可能となってい
る。

アルミニウム単結晶膜の成膜手順は次の通りである。
希フッ酸で表面洗浄したSi（911）の基板６をロードロ
ック室13にセットし、真空排気する。あらかじめ基板ヒ
ータ５は400℃に設定し、ガス温度制御装置９は250℃に
設定しておく。成長室４内は高真空に排気しておく。ロ
ードロック室13が１×10^-4Torr以下になったら基板６を
成長室４内に移送し、基板ヒータ５上にセットする。成
長室４内の圧力が２×10^-6Torr程度になったら流量70SC
CMのArでバブリングしたTIBAを成長室４に導入し、成長
室４内の圧力を2Torrに保つ。この状態で、基板６上に
アルミニウム膜が堆積する。約１分間経過したら、ガス
の導入を停止し、再び成長室４内を高真空に排気する。
その後、ロードロック室13を介して、成膜した基板を取
り出す。

このようにして成膜したSi基板上のアルミニウム膜を
Ｘ線回折で調べたところ、回折線として観測されたもの
は、アルミニウム（110）面だけであった。また、同じ
膜を透過電子線回折で調べたところ、明確なアルミニウ
ム（110）のスポットパターンが観測された。また、基
板内のどの位置においても同様な結果が得られた。この
ことから、このアルミニウム膜は（110）に配向した単
結晶膜であることが分かった。Si基板の結晶方位と、ア
ルミニウム膜の結晶方位との関係は、アルミニウムの
（110）面がSiの（100）面にほぼ平行であった。

Siの基板表面とSi（100）面とのなす角度をθと表
し、θを変化させた基板上に上記手順と同様に作成した
アルミニウム膜の結晶性を次に示す。

θ＝ 0゜ 多結晶 θ＝ 3.5゜ 多結晶 θ＝ 5゜ 単結晶 θ＝ 8.9゜ 単結晶 θ＝15.8゜ 単結晶 θが０゜および3.5゜の場合は、その上に作成したア
ルミニウム膜は第３図（Ｂ）（Ｃ）に示すような２種類
の原子配列方向を有する多結晶膜であった。θが５゜以
上の場合は、その上に作成したアルミニウム膜は単結晶
膜であった。なお、θ＝15.8゜の場合、アルミニウム
（110）面はSi（100）面に対して約４゜傾いていた。こ
れらのことから、アルミニウム単結晶膜を作成するには
θを５゜以上に設定する必要がある。

以上の成膜においては成膜速度として１μm/min程度
が得られており、工業的に十分な値が得られた。また、
成膜の安定性も良く、新しい原料を100ccセットした場
合、200枚以上安定にアルミニウム単結晶膜を作成する
ことができた。この膜を用いて実際にエレクトロマイグ
レーションおよびストレスマイグレーションの試験を行
った。厚さ１μｍ、配線幅1.2μｍとなるようにアルミ
ニウム配線をパターニングし、その上に保護膜として厚
さ１μｍのSiN膜をプラズマCVD法により作成した。電流
密度５×10⁶A/cm²、配線温度150℃でマイグレーション
の試験を1000時間行ったが、故障率はゼロであった。こ
のように、この発明によるアルミニウム膜はIC配線とし
ての優れた特性を有することが示された。

［発明の効果］ この発明では、基板表面がSi（100）面から傾斜して
いるようなSi単結晶基板の上にアルミニウム単結晶膜を
形成しているので、（110）に配向したアルミニウム単
結晶膜を十分に大きな堆積速度で得ることができる。

このようなアルミニウム単結晶膜は、上述のようなSi
単結晶基板を利用して、トリイソブチルアルミニウムを
原料としたガス温度制御CVD法で製造することができ、
これにより十分に大きな膜堆積速度で安定してアルミニ
ウム単結晶膜を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明で用いるSi基板とその上に形成される
アルミニウム膜との結晶格子の関係を模式的に示した斜
視図、 第２図はこの発明の方法を実施するための装置の正面断
面図、 第３図はSi基板とアルミニウム膜との従来の結晶格子関
係を示す平面図である。 １……TIBA ６……基板 ９……ガス温度制御装置 22……基板表面

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Si結晶の［011］方向を軸にして基板表面
   がSi結晶の（100）面から傾斜しているようなSi単結晶
   基板の上に、CVD法によってアルミニウムの単結晶膜を
   形成することを特徴とするアルミニウム単結晶膜の製造
   方法。
2. 【請求項２】トリイソブチルアルミニウムを原料として
   ガス温度制御CVD法でアルミニウムの単結晶膜を形成す
   ることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム単結晶
   膜の製造方法。
3. 【請求項３】前記傾斜の角度が５゜以上であることを特
   徴とする請求項１または２記載のアルミニウム単結晶膜
   の製造方法。