JPH06240456A - 半導体装置のアルミニウム配線の形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置の内部Ａｌ配線をＣＶＤにより高速
で安定的に形成する。 【構成】ＣＶＤ装置を用いて原料を供給する場合、原料
の粘度、蒸気圧等の物性に応じ、バブラー容器６内の圧
力を大気圧以下に圧力調節器９により一定にコントロー
ルする。バブラー容器６の温度は原料の熱安定性、蒸気
圧を考慮して決定する。例えば、ＤＭＡＨの場合は圧力
は５００〜２０Ｔｏｒｒの範囲、オイルバス温度３０〜
１００℃が望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機アルミニウム化合
物原料を気化させて化学気相成長を行う方法及び装置に
関し、特に、半導体装置の配線材料の製造に供する減圧
化学気相成長方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体装置作製において、化学気
相成長法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜は非常に重要な技術とな
っている。有機金属化合物原料を用いて各種金属、金属
化合物、絶縁膜を堆積することは広く行われており、た
とえばＷ，Ｔａ，Ｍｏ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＡｌＡ
ｓ，ＣｄＴｅ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ｓ
ｎＯ₂ ，ＩｎＯ₂ ，ＴｉＯ₂ ，ＴｉＮ等が作成され、半
導体材料、電極材料、絶縁材料、誘電材料等に用いられ
ている。

【０００３】一般に、有機金属化合物原料は蒸気圧が低
く常温では固体もしくは液体である。従って、このよう
な原料は、いわゆるエバポレーターや、バブラー（発泡
気化器）等の気化器により気化させて反応容器に供給す
る必要がある。その際、堆積物の組成・品質維持のため
には、これらの原料供給量を精度よく一定に維持する必
要がある。この方法としては、 （１）あらかじめ流量を一定に制御したキャリアガスを
これらの原料に通じさせて直ちに反応容器に供給するバ
ブリング方式 （２）反応容器内部の圧力をこれらの原料の蒸気圧より
低く維持し、その差圧によって気化原料を反応容器に供
給し、また同時に輸送量をマスフローコントローラー
（ＭＦＣ）によって調節する蒸気圧差方式 （３）これらの原料が液体である場合、原料を一定流量
に制御してバブラーに供給し、気化させたのち、反応容
器に供給する液相直接制御方式 （４）これらの原料に通じさせたキャリアガス中の原料
濃度を、濃度センサーによって測定し、測定濃度に応じ
てキャリアガス流量を調節しながら、原料を供給する濃
度センサ方式 などが既に当業者において知られている。

【０００４】また、高精度の圧力制御を実現するため、
前記（１）の改良技術として、特開平４−７８４７号公
報には、キャリアガスを大気圧以下に減圧することが記
載されており、特開平４−１４８２７号公報には、気化
部と反応容器との間に圧力緩衝部を設けることが開示さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体デバイス
の高集積化、微細化の進展に伴い、新しい半導体材料や
合成法の検討も進み、そのための新規な原料も開発され
るようになった。半導体装置内部のＡ１配線をＣＶＤ法
によって作成する際には、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡ）、ジ
メチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡＨ）等の有機
アルミニウム原料が用いられる。中でもＤＭＡＨは、他
の原料に比べて低温で分解し、選択性を有して堆積し、
単結晶組織が得られ、また堆積して得られた膜には不純
物が含まれない等の利点があり、微細加工性と高品質・
低抵抗性とを満足する有望な材料である。

【０００６】これらの原料の中には、従来用いてきた原
料ガス供給系では良好に輸送できないものが多い。たと
えば、ＤＭＡＨは粘度が約４０００ｃＰ（センチポア
ズ）と高いことと、蒸気圧が室温で２．７Ｔｏｒｒと低
く、また高い温度ではバブラー内で原料自体が分解して
しまうため蒸気圧を確保できない。上記したような各種
原料に於いては、粘性が高いかあるいは蒸気圧が小さい
ため、前記（１）のバブリング方式では供給量が不十分
である。特に、高粘性液体ではバブラーに吹込んだキャ
リアガスが液体中にとじ込められてしまうが、気泡が開
裂し、キャリアガスが開放されるためには、長時間掛け
て充分気泡が発達する必要があり、安定したバブリング
を行うことはできない。そのため、供給量の時間変動が
大きい。また、（２）の蒸気差圧法はキャリアガスを用
いないため安定性は良いが、制御可能な流量が少量であ
り、実用上問題である。（３）の液相輸送制御は、安定
性がよく、温度管理も容易であるが、ＤＭＡＨのような
高粘度の液体原料には使用できない。

【０００７】また、スループットやプロセスマージンを
確保するためには、短時間で成膜できることが望まし
い。一般にＣＶＤによる成膜は、反応が原料の供給律速
となるような条件下で行う。反応律速領域下では、基板
の温度や成膜雰囲気の圧力の極く微少な変動が、結果に
大きく影響するためである。従って、原料供給速度を大
とすることが望ましいが、従来の技術では、供給速度は
小さい。

【０００８】さらにまた、半導体装置のアルミニウム配
線をＣＶＤ法によって形成する場合には、堆積速度を自
在に制御できることが望ましい。例えば、図５に示すよ
うなコンタクト構造を形成する場合には、ＣＶＤ埋込ヴ
ィア２１をＣＶＤによって埋め込み、ついで上層のＣＶ
Ｄブランケットアルミニウム２３の配線層を形成する
が、ヴィア２１の形成時には良好な埋め込み性を得るた
め、上層配線形成時に比べて堆積速度を遅くする必要が
ある。アルミニウムＣＶＤでは、ガス流量、原料中の有
機アルミニウム原料分圧、もしくは堆積温度を変えるこ
とで、堆積速度の制御を行うことができる。ガス流量を
変更することは、ガス流れを乱しウェハ内の均一性を損
う可能性がある。堆積時にはウェハを１５０〜３００℃
にヒーターを用いて加熱しているが、この堆積温度を急
激に変動させることは困難である。なぜなら、ヒーター
への通電量を変化させても熱伝達遅れのため温度が追随
して変化しないからである。有機アルミニウム原料分圧
を変化させるには通常バブリング温度を変化させるが、
バブラーの温浴ヒーター温度もまた入力電力変化に追随
して急変させることはできない。

【０００９】なお、前記したような高粘性、低蒸気圧液
体原料を供給する手段として特開平０３−１１２８９２
号公報に示されるようなガス供給装置が提案されている
が、この装置においても実際に動作させると泡の形状の
制御が困難であり安定性がいいとは言えない。また、大
量に輸送する場合には流量や温度を上げる必要がある
が、この場合でも泡の制御に対して困難が予想される。
また、気化量を急激に変化させることもできない。

【００１０】上述したように、高粘度、低蒸気圧で分解
温度の低い原料の供給は、供給速度の安定性や供給量の
確保・制御の上で、多くの問題が存在する。そのため、
このような原料を用いる半導体素子の製造法上の大きな
障害となると考えられる。本発明の目的は上記問題点を
解決して、半導体装置内部のＡ１配線の製造に供する有
機アルミニウム化合物原料を、効率よく大量にしかも安
定に輸送する有機金属気相合成方法及び装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、有機アルミニ
ウム化合物原料を、キャリアガスとともにバブラーによ
り気化させ、このキャリアガスを用いて輸送し、減圧下
の反応容器に供給し、アルミニウムの化学気相成長によ
って半導体装置のアルミニウム配線を形成する際に、こ
の反応容器の圧力をバブラーの圧力よりも低くし、かつ
気化雰囲気の圧力を大気圧よりも低く保つ方法を提供す
る。この場合、アルミニウム配線の形成中に、所定のプ
ログラムに従って、バブラー内圧力の変化をプログラム
制御すると好適である。また粘度が１０００ｃＰ以上の
有機アルミニウム化合物を用いるとよい。さらに、有機
アルミニウム化合物をジメチルアルミニウムハイドライ
ドとすれば、一層好適である。また、キャリアガスの吹
き込みを行うノズル一本当りのガス流量を１００ｓｃｃ
ｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下とするとよい。

【００１２】上記方法を実施するための装置は、反応容
器とバブラーとの間に設けた圧力調節弁と、バブラー内
の圧力検出器と、圧力調節弁の開度調節器と、前記圧力
検出器から圧力信号によって開度調節器の開度を所望の
値に制御する制御装置とを有する装置である。

【００１３】

【作用】本発明の作用を述べるにあたり、先ず、バブラ
ーにキャリアガスを送入した場合の気化速度について考
察する。キャリアガスによって、単位時間（ここでは１
分間）に新たに発生する体積をΔＶ（ｃｃ／ｍｉｎ）、
気化効率をη（０＜η≦１）、原料の蒸気圧（Ｔｏｒ
ｒ）をＰ_vap.とすれば、気化速度Ｑ_v （ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ）は、 Ｑ_v ＝η・Ｐ_vap.・ΔＶ／（Ｒ／Ｔ） …（１） と表わすことができる。但しＲは気体定数（ｃｃ・Ｔｏ
ｒｒ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは温度（Ｋ）である。すなわ
ち、キャリアガスの供給速度をＦ（ＳＣＣＭ）、気化圧
力（バブラーの場合は内圧）をＰとすると、 ΔＶ＝７６０Ｆ・Ｔ／２７３Ｐ …（２） である。従って、気化原料の供給速度Ｑ（ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ）は次式で表わすことができる。

【００１４】 Ｑ＝η・（Ｐ_vap.／Ｐ）・（Ｆ／Ｖ_M ） …（３） ここで、Ｖ_M はモル体積（ｃｃ）である。（３）式よ
り、バブラー内圧力Ｐを減ずることが、原料供給速度増
大のために効果的であることが解る。従って、供給量を
増加させるためには少なくとも気化雰囲気の圧力は大気
圧よりも減ずる必要があることが理解される。また、Ｐ
を一定に維持することは、Ｑを一定とするために必須で
あることが理解される。

【００１５】さらに、バブラー内を減圧すると、吹込ま
れたガスが、原料の粘性に抗して気泡を形成しやすくな
り、１０００ｃＰ以上の高粘度液体であってもバブリン
グが安定する。しかしながら、気化雰囲気の安定性の観
点からは、気化雰囲気の減圧のみの効果では充分ではな
い。気化物質の形態変化（液体であれば、泡の崩壊、異
常な突沸や粘性等の経時変化）によってバブラー内圧が
突如変化した場合に、バブラーが接続されている反応容
器の圧力変化をもたらす。また逆に何等かの原因で反応
容器の内圧が変化した場合には、気化圧力の変動を来
す。従って、バブラーの圧力は反応容器の圧力よりも高
く設定することは、変動分のマージン確保の作用をな
す。以上が本発明の反応容器の圧力をバブラーの圧力よ
りも低くし、かつ気化雰囲気の圧力を大気圧よりも低く
保つという要件の作用である。

【００１６】また、必然的に反応容器とバブラーの圧力
を分離する手段が必要であり、通常、圧力調節弁を用い
る。圧力調節弁を用いることにより、反応器の圧力によ
らず気化雰囲気の圧力を一定に調節することができる。
気化雰囲気の圧力を適当な検出器によって検出し、適当
な制御器によって圧力調節弁の開度を調節することによ
って、自動的に気化雰囲気の圧力を一定に維持すること
が可能となり、原料の供給速度は安定化される。以上が
本発明装置の作用効果である。

【００１７】アルミニウム配線の形成中に堆積速度を変
化させる場合には、圧力調節弁の開度を調節しバブラー
内圧を変化させることによって、有機アルミニウム化合
物の供給速度を変化させればよい。実際の操業において
は、シーケンサなどで、プログラムに従って、バブラー
内圧力を変化させる手段を備えるとよい。本発明者らは
更にバブリングを安定に行うことのできるキャリアガス
流量範囲について検討を行った結果、好ましい範囲は１
００〜５０００ｓｃｃｍ、より好ましい範囲は５００〜
５０００ｓｃｃｍであることを見出した。すなわち、１
００ｓｃｃｍ以下の場合には気泡の生成が極めて間欠的
にしか起こらない。そのためガスの供給も間欠的になっ
てしまう。ガス流量が過大である場合には、気泡が安定
に形成されないのみならず有機アルミニウム化合物原料
（ＤＭＡＨ等）内にガスの「パイプ」ができてしまい、
このパイプ内をガスが流通してしまうため気化量が低下
してしまう。したがっていずれの場合にも成膜は安定に
行われず、成膜速度が低下したり、膜厚が不均一になっ
たりする。なお、ここでいうキャリアガス流量とは、バ
ブリングを行う供給ノズル一本当りの値であって、複数
のノズルを同時に用いる場合には、気泡の発生も各ノズ
ル独立に生じるので、本発明の作用する全キャリアガス
流量は一本当りの流量にノズル数を乗じた値となる。

【００１８】

【実施例】本発明の構成を図１を用いて説明する。図１
は本発明の１実施例のフローシートである。図１におい
て、キャリアガスボンベ１から供給されるキャリアガス
は流量調節器（マスフローコントローラ）２、３、スト
ップバルブ４を経て、バブラー容器６に入る。原料７は
温度コントロールされたオイルバス８内のバブラー容器
６に収納されている。圧力計および圧力制御器９、圧力
調節弁１０を経て反応容器１１に原料を送る。ノズル１
２は基板１３に対向している。１４はシーケンサ（制御
装置）である。この装置を用いて原料を供給する場合、
バブラー容器６内の圧力を大気圧以下に圧力制御器９に
より一定にコントロールする。この時の圧力は原料の粘
度、蒸気圧等の物性により適当な値を選択する。実際に
圧力を制御する場合は、バブラー容器６内のみでなく、
キャリアガスのマスフローコントローラ３から圧力調節
弁１０の間を制御する形でもよい。オイルバス８の温度
については原料の熱安定性、蒸気圧を考慮して決定す
る。例えば、ＤＭＡＨの場合は圧力は５００〜２０Ｔｏ
ｒｒの範囲、オイルバス温度３０〜１００℃が望ましい
値となる。

【００１９】〔実施例１〕図１に示す装置を用いてＡ１
−ＣＶＤ成膜を行った。高粘度液体原料７としてはＤＭ
ＡＨを用いた。キャリアガスとして水素をマスフローコ
ントローラ２により１００ｓｃｃｍに制御して流した。
バブラー容器６内の圧力は圧力制御器９で１００Ｔｏｒ
ｒ一定とした。オイルバス温度は５０℃、またすべての
配管は図示されていないヒータにより７０℃に加熱し
た。このとき、ＤＭＡＨ流量は図４に示すように約８．
５ｓｃｃｍの値が得られた。

【００２０】成膜条件として反応容器１１内圧力は２Ｔ
ｏｒｒ、基板１３の温度は２６０℃とした。このような
条件で成膜した結果、成膜速度３５００Å／ｍｉｎで均
一性の良い膜（±５％）が形成した。また、図３に示す
ようにラン毎の膜厚変動ななく、安定していた。 〔実施例２〕図１に示す装置を用い、種々のバブラー内
圧力（５０〜７６０Ｔｏｒｒ) に関して、Ａｌ−ＣＶＤ
成膜を行った。運転中はバブラー容器６内の圧力は一定
とした。バブラー内圧力以外の条件については実施例１
と同一条件とした。結果を図２に示す。バブリングの圧
力を減ずることによって、成膜速度は４００Å／ｍｉｎ
から６０００Å／ｍｉｎに上昇した。

【００２１】〔比較例１〕図１に示す装置において、バ
ブラー内圧を７６０Ｔｏｒｒ（大気圧) として、Ａｌ−
ＣＶＤ成膜を行った。原料、キャリアガス、その流量、
オイルバス温度等の条件や成膜条件は実施例１と同一と
した。このような条件で成膜した結果、成膜速度は４０
０Å／ｍｉｎであり、均一性の悪いまだらの膜が形成さ
れた。

【００２２】〔実施例３〕図１に示す装置を用い、図５
に示す配線構造の形成を行った。絶縁膜２４にヴィアホ
ールをあけ、第１アルミニウム配線２２と連結するＣＶ
Ｄ埋込みヴィア２１をＣＶＤブランケットアルミニウム
２３と共に形成した。ここでヴィア径は０．３μｍであ
る。まず、バブラー内を１５０ＴｏｒｒとしＤＭＡＨ供
給量を少なくしてカバレッジが良好となるようにして２
分間ヴィアの埋込み堆積を行い、ついでバブラー内圧を
５０ＴｏｒｒとしＤＭＡＨ供給量を大としてブランケッ
ト膜を２分間成膜した。バブラーの制御圧力の設定値
は、時間毎にシーケンサ１４から圧力制御器９に与え
た。

【００２３】〔比較例２〕図１に示す装置において、制
御器を除去して圧力調節弁の開度を手動で調節し、キャ
リアガス、その流量、オイルバス温度等の条件や成膜条
件を第１実施例と同一とし、Ａｌ−ＣＶＤ成膜を４０ラ
ンを行った。１回のランでは５分間成膜を行った。この
場合の膜厚変化を図３に示す。各ランごとに成膜速度は
ばらつく一方、ラン数の増加と共に、膜厚が減少した。

【００２４】このような変動は主として反応容器内圧力
の変動や、原料の粘度、量の変化に伴なうバブラー内圧
の変動により、ＤＭＡＨ流量が変動したことに起因する
ものである。 〔比較例３〕図１に示す装置において、原料、キャリア
ガス、その流量、オイルバス温度等の条件や成膜条件を
実施例１と同一とし、バブラー内圧力１００Ｔｏｒｒお
よび７６０Ｔｏｒｒの場合について、ＤＭＡＨ流量を測
定した。ＤＭＡＨ流量の測定は、反応容器と圧力調節弁
との間に赤外分光分析セルを設け、ＦＴＩＲ法によって
行った。図４（ｂ）に示す通り、７６０Ｔｏｒｒの常圧
バブリングではＤＭＡＨ流量は約１．６±１．６ｓｃｃ
ｍと小さくかつ不安定であったが、１００Ｔｏｒｒに減
圧した結果図４（ｂ）に示すように安定した。このよう
な常圧バブリング時の流量変動が、比較例１に示した低
成膜速度かつ不均一成膜の原因である。

【００２５】〔実施例４〕図１に示す装置を用い、Ａｌ
のブランケットＣＶＤを行った。原料としては、ＴＩＢ
Ａを用い、バブラー内圧力１００Ｔｏｒｒと、７６０Ｔ
ｏｒｒの２例を試みた。ＴＩＢＡを用いた際のオイルバ
ス温度は５０℃、配管温度は７０℃、基板温度は４００
℃（供給律速領域) である。バブリング圧力１００Ｔｏ
ｒｒ，７６０Ｔｏｒｒにおける成長速度は各々、６μｍ
／分、０．８μｍ／分であり、減圧バブリングがＴＩＢ
Ａ供給量を増し、成長速度を高くすることに効果的であ
ることを確認できた。

【００２６】なお、本発明は、上記実施例中の装置構
成、堆積条件には限定されない。原料有機アルミニウム
も上記に限定されるものではなく、硼化物、窒化物、ま
た各種有機アルミニウム化合物の混合物や、有機アルミ
ニウム化合物を適当な溶媒中に溶解させたものでもよ
い。 〔実施例５〕図１に示す装置を用い、キャリアガス流量
５００ｓｃｃｍとした他は実施例１と同じ条件でＡｌの
ＣＶＤ膜生成を行った。平均成膜速度は実施例１よりも
大きく約５０００Å／分、面内均一性は±３％以内であ
った。この状態はキャリアガス流量３０００ｓｃｃｍま
で維持された。３０００−５０００ｓｃｃｍでは実施例
１とほぼ同一の値であった。

【００２７】〔比較例４〕図１に示す装置を用い、キャ
リアガス流量を５０ｓｃｃｍとした他は実施例１と同じ
条件としてＡｌ−ＣＶＤ膜生成を行った。平均成膜速度
は実施例１と同一であった。しかし、６インチ基板内の
膜厚分布は実施例１では±３％以内であったが、この例
では膜厚分布が±１５％であった。

【００２８】〔比較例５〕図１に示す装置を用い、キャ
リアガス流量６０００ｓｃｃｍとした他は実施例１と同
じ条件でＡｌのＣＶＤ膜生成を行った。平均成膜速度は
実施例１の約２／３に低下し、しかもキャリアガス流量
の増加と共に成膜速度は低下した。

【００２９】

【発明の効果】本発明によって、低蒸気圧、高粘度の各
種液体原料もしくは固体原料の供給速度を安定化し、大
量に供給して高速成長を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のフローシートである。

【図２】バブラー内圧と成膜速度の関係を示すグラフで
ある。

【図３】ラン数と膜厚の関係を示すチャートである。

【図４】ＤＭＡＨ供給量のチャートである。

【図５】配線構造の断面図である。

【符号の説明】

１ キャリアガスボンベ ２，３ 流量調節器（マスフローコントローラ) ４，５ ストップバルブ ６ バブラー容器 ７ 原料 ８ オイルバス ９ 圧力計および圧力制御器 １０ 圧力調節弁 １１ 反応容器 １２ ノズル １３ 基板 １４ シーケンサ １５ 圧力計及び圧力制御器 ２１ ヴィア ２２ 第１アルミニウム配線 ２３ ＣＶＤブランケットアルミニウム ２４ 絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 浩 千葉市中央区川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内 (72)発明者 太田 与洋 千葉市中央区川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機アルミニウム化合物原料を、キャリ
   アガスとともにバブラーにより気化させ、該キャリアガ
   スを用いて輸送し、減圧下の反応容器に供給して、アル
   ミニウムの化学気相成長によって半導体装置のアルミニ
   ウム配線を形成する際に、該反応容器の圧力を該バブラ
   ーの圧力よりも低くし、かつ気化雰囲気の圧力を大気圧
   よりも低く保つことを特徴とする半導体装置のアルミニ
   ウム配線の形成方法。
2. 【請求項２】 アルミニウム配線の形成中に、バブラー
   内圧力をプログラム制御することを特徴とする請求項１
   記載の半導体装置のアルミニウム配線の形成方法。
3. 【請求項３】 粘度が１０００ｃＰ以上の有機アルミニ
   ウム化合物を用いることを特徴とする請求項１又は２記
   載のアルミニウム配線の形成方法。
4. 【請求項４】 有機アルミニウム化合物が、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
   １〜３のいずれかに記載のアルミニウム配線の形成方
   法。
5. 【請求項５】 キャリアガスの吹き込みを行うノズル一
   本当りのガス流量を１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃ
   ｍ以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   に記載のアルミニウム配線の形成方法。
6. 【請求項６】 反応容器とバブラーとの間に設置された
   圧力調節弁と、バブラー内の圧力検出器と、圧力調節弁
   の開度調節器と、前記圧力検出器からの圧力信号によっ
   て前記開度調節器の開度を制御する制御装置とを備えた
   ことを特徴とする半導体装置のアルミニウム配線の形成
   装置。