JPH11176770A - 半導体デバイスの金属層形成方法 - Google Patents

半導体デバイスの金属層形成方法

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JPH11176770A JP10174587A JP17458798A JPH11176770A JP H11176770 A JPH11176770 A JP H11176770A JP 10174587 A JP10174587 A JP 10174587A JP 17458798 A JP17458798 A JP 17458798A JP H11176770 A JPH11176770 A JP H11176770A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリング法は、段差被覆力（ステップ
カバレッジ）が弱い。一方、化学気相蒸着法は、段差被
覆力が良好な反面、成膜パラメータが複雑で、一定膜厚
以上ではアルミニウム層の表面が粗く形成される欠点が
ある。 【解決手段】 最初に、半導体基板１０４をローディン
グした蒸着チャンバ（デポジションチャンバ）１００内
へガス供給管１０９から金属ソースガスを供給し、半導
体基板１０４上に金属を化学的に付着させて金属（アル
ミニウム）層を形成する。次に、金属ソースガスの供給
を遮断するとともにパージガスをガス供給管１１１で蒸
着チャンバ１００内へ供給し、蒸着チャンバ内に反応せ
ずに残留する金属ソースガスをガス排気口１１８より除
去する。以上の一定厚さを形成するサイクルを繰り返す
ことにより、多層の金属層を形成するようにして所望の
厚さの金属層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の金属
配線形成方法に係り、特に、原子層蒸着法によるアルミ
ニウム層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数の単位素子を集積して一つの高集積
回路を完成するには、各単位素子を電気的に連結させな
ければならない。このような単位素子の連結工程を金属
配線工程と呼ぶ。金属配線には、電気伝導度が高く接触
抵抗が低いなど優れた物性を有するアルミニウム層が主
に使われている。
【０００３】従来アルミニウム層を形成する工程は主
に、スパッタリング（sputtering）法などの物理的方
法、或いは化学気相蒸着法（chemical vapor depositio
n）などの化学的方法により行われてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スパッタリング法は、
生産性が高く、アルミニウム層の形成が容易であるとい
う利点がある反面、段差被覆力（ステップカバレッジ）
が低いという欠点がある。これとは逆に、化学気相蒸着
法は、段差被覆力が良好な反面、成膜パラメータが複雑
で、一定膜厚以上ではアルミニウム層の表面が粗く形成
される欠点がある。
【０００５】スパッタリング手法による場合に段差被覆
力が低くなる理由は、縦横比の大きいコンタクト孔など
により形成された大きい段差を有する下地膜上にアルミ
ニウム層を形成することになるので、段差の上部から入
射される直進性の金属粒子に対して影となる部分ができ
る陰影効果（shadow effect）が生じるからである。こ
のような陰影効果により段差部位で局部的に金属配線膜
の膜厚が不均一になり、段差被覆力が低くなる。その
上、素子の集積度が増加するに従い縦横比は大きくなる
ので、段差被覆力はさらに低くなる。
【０００６】一方、アルミニウム層を化学気相蒸着法で
形成する場合、アルミニウム層の核生成及び成長は基板
表面の段差に無関係に立ち上がるので、段差被覆力には
優れている。しかし、アルミニウム層の厚さが略１００
０Å以上になると、島状蒸着特性を示し、アルミニウム
の表面が粗く形成される。粗い表面を有するアルミニウ
ム層は、水平に長い金属配線に不適合であり、且つ、大
きい縦横比を有するコンタクト孔やファイア孔を均一に
埋込めないという欠点がある。
【０００７】したがって、高集積回路の金属配線を製造
するためには、形成されるアルミニウム層が優れた均一
性（conformality）を有し、かつ段差被覆力を向上する
ことができる新たな方法が望まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明では、新たな蒸着
法による金属配線形成方法を提供し、金属配線膜の均一
度及び段差被覆力を向上させるものである。すなわち本
発明によると、最初に、半導体基板をローディングした
蒸着チャンバ（デポジションチャンバ）内へ金属ソース
ガスを供給し、半導体基板上に金属を化学的に付着させ
て金属層を形成する。次に、金属ソースガスの供給を遮
断するとともにパージガスを蒸着チャンバ内へ供給し、
蒸着チャンバ内に反応せずに残留する金属ソースガスを
除去する。そして、これら金属ソースガス供給段階とパ
ージガス供給段階とを繰り返していくことにより、多層
の金属層を形成するようにして所望の厚さの金属層を形
成する。
【０００９】この場合、パージガス供給段階後に、パー
ジガスの供給を遮断するとともに金属層を還元し得る還
元ガスを蒸着チャンバ内へ供給し、金属層内の不純物を
除去する段階と、この後に還元ガスの供給を遮断すると
ともにパージガスを供給し、蒸着チャンバ内に反応せず
に残留する還元ガスを除去する段階と、を実行すること
もできる。これら金属ソースガス供給段階、パージガス
供給段階、還元ガス供給段階を順次に繰返し実施するこ
とで、より信頼性の高い多層の金属層を形成することが
できる。
【００１０】さらに本発明では、次の（ａ）（ｂ）
（ｃ）段階を使用した方法を提案する。 （ａ）段階：半導体基板を蒸着チャンバ内へローディン
グする段階。（ｂ）段階：半導体基板を入れた蒸着チャ
ンバ内へ金属ソースガスを供給し、半導体基板上に金属
を化学的に付着させて金属層を形成する過程と、この後
に金属ソースガスの供給を遮断するとともにパージガス
を蒸着チャンバ内へ供給し、蒸着チャンバ内に反応せず
に残留する金属ソースガスを除去する過程と、を実行す
ることにより金属層を形成する段階。（ｃ）段階：残留
金属ソースガス除去終了でパージガスの供給を遮断し、
金属層を還元するとともに金属層内へ不純物をドーピン
グし得る還元・ドーピング用ガスを蒸着チャンバ内へ供
給して金属層内の不純物除去及び不純物ドーピングを実
施する過程と、この後に還元・ドーピング用ガスの供給
を遮断するとともにパージガスを供給し、蒸着チャンバ
内に反応せずに残留する還元・ドーピング用ガスを除去
する過程と、を実行する段階。
【００１１】このとき、（ｂ）段階と（ｃ）段階とを順
次繰返すようにして、多層の金属層を形成することが好
ましい。あるいは、（ｂ）段階を所定回数繰返した後に
（ｃ）段階を所定回数実行する手法とすることもでき
る。
【００１２】以上のような本発明において、金属ソース
ガスは、たとえばアルミニウムソースガスであれば、固
状の純粋ＡｌまたはＡｌ合金を加熱して形成したガス、
あるいは、アルミニウムハロゲン化物溶液、トリイソブ
チルアルミニウム、ジメチルアルミニウム水素化物、ト
リメチルアルミニウム、ジメチルエチル−アミンアラン
のうちのいずれか１種の金属有機物蒸着源を気化させて
形成したガスを使用する。
【００１３】パージガスとしては、不活性気体またはＮ
2ガスを使用することができる。また、金属ソースガス
の供給時に運搬ガスを金属ソースガスに混合して供給
し、金属ソースガスのフローを円滑にすると好ましく、
このような運搬ガスには、パージガスと同様のガスを使
用することができる。
【００１４】還元ガスとしては、Ｚｎガス、Ｃｕガス、
Ｗガス、還元基の−Ｈ基を含む気体、ＴｉＣｌ4、Ｗ
Ｆ6、ＣｕＣｌxのいずれかを使用することができ、この
ような還元ガスは、プラズマ状態で供給するのが好まし
い。
【００１５】以上の方法により金属層を形成すると、段
差被覆力が向上するだけでなく、表面が滑らかに形成さ
れるので金属層の電気的特性も向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて本発
明の実施形態を説明する。
【００１７】図１は、本発明に係るアルミニウム層蒸着
装置を示す概略図である。図１に示すように、蒸着チャ
ンバ１００内には、向かい合わせて２つの半導体基板支
持台１０２Ａ、１０２Ｂが設けられる。これら半導体基
板支持台１０２Ａ、１０２Ｂは、反応ガスの化学的付着
が両者同様に可能となるよう近接させて設けられ、この
上に各々半導体基板１０４が載置される。そして、半導
体基板支持台１０２Ａ、１０２Ｂが設けられた蒸着チャ
ンバ１００の外側表面にヒーティングブロック１０６が
形成されており、これらヒーティングブロック１０６内
に複数台のヒータ１０７があって半導体基板１０４の温
度が一定に保たれる。
【００１８】蒸着チャンバ１００の一方の末端には、反
応ガスを蒸着チャンバ１００内へ流し込むための複数の
ガス供給管１０９、１１１が設けられる。また他方の末
端には、ガス排気口１１８が設けられる。ガス供給管の
数は蒸着チャンバ１００内へ流し込まれる反応ガスの数
により変更できるが、図１では説明の便宜上二つのガス
供給管のみを示す。
【００１９】いずれか一方のガス供給管１０９は、その
一端がアルミニウムソースの供給器１０８に接続され、
他方のガス供給管１１１は、還元ガスの供給器１１０に
接続される。従って、ガス供給器１０８、１１０からガ
ス供給管１０９、１１１を介して反応ガスが蒸着チャン
バ１００内へ供給される。また、反応後の残留ガスを排
気させるパージガスを蒸着チャンバ１００内へ供給する
ため、パージガス供給器１１２と接続されたパージガス
供給管１１３が各々反応ガス供給管１０９、１１１に接
続される。
【００２０】各ガス供給管１０９、１１１、１１３には
弁１１６が設けられ、弁１１６のオン／オフにより蒸着
チャンバ１００内へパージガスや反応ガスを流し込んだ
り遮断したりすることができる。弁１１６は、ニューマ
ティック弁（pneumatic valve）のように、所定の一定
の周期で弁のオン／オフを制御し得るようにプログラム
してある制御部により調整されることが好ましい。
【００２１】図２には、半導体基板上にアルミニウム層
を蒸着するためのガス供給タイミングチャートの一例を
示してある。以下、図１及び図２を参照し、本例のアル
ミニウム層形成方法を説明する。
【００２２】まず最初に、アルミニウム層を形成しよう
とする半導体基板１０４を蒸着チャンバ１００内へロー
ディングする。次に、アルミニウムソース供給器１０８
からアルミニウムソース供給管１０９を介してアルミニ
ウムソースガスを蒸着チャンバ内へＴA時間の間流入さ
せる。ＴA時間は、アルミニウムソースガスから半導体
基板上にアルミニウムが化学吸着（Chemisorbe）して層
を形成するのに十分な時間である。このとき、アルミニ
ウムソースガスの円滑なフローのために、運搬ガスをア
ルミニウムソースガスと共に混合して蒸着チャンバ１０
０内へ流入させる。そして、半導体基板１０４の温度
は、ヒーティングブロック１０６内のヒータ１０７によ
り調節される。
【００２３】アルミニウムソースガスの供給源として
は、固体、液体又は気体のいずれでも使用可能である。
固体及び液体の場合には、加熱して気体状態にした後に
蒸着チャンバ１００内へ供給すれば良い。
【００２４】ＴA時間の間アルミニウムソースガスを供
給した後に、アルミニウムソース供給管１０９に設けら
れた弁１１６を閉ざし、一方でパージガス供給管１１３
に設けられた弁１１６を開けて、パージガス供給器１１
２からパージガスを蒸着チャンバ１００内へＴP時間の
間供給することにより、半導体基板１０４上に化学吸着
せずに蒸着チャンバ１００内に残っているアルミニウム
ソースガスを排気ガス管１１８から除去する。ＴP時間
は、未反応ガスを除去するのに十分な時間とする。アル
ミニウムソースガスの供給源や運搬ガス及びパージガス
としては、表１に示す物質を使用可能である。
【表１】
【００２５】このように、本発明の第１例によるアルミ
ニウム層形成方法では、アルミニウムソースガス供給段
階→パージガス供給段階からなる一つのサイクルをたど
ることにより一定の厚さのアルミニウム層が蒸着され
る。このサイクルを繰り返せばアルミニウム層の厚さを
徐々に増していくことができるので、サイクルの繰返し
を通じて所望の厚さの薄膜を半導体基板１０４上に形成
することができる。このとき、１サイクル当り蒸着され
るアルミニウム層の厚さは、蒸着チャンバ１００内へ流
入するアルミニウムソースガス及びパージガスの供給流
量と供給時間により決まる。
【００２６】以上の第１例によりアルミニウム層を形成
すると、アルミニウム層の均一度と均一性が向上する。
従って、本発明により形成されたアルミニウム層を金属
配線として使用すれば、金属配線の信頼性を向上させる
ことが出来る。
【００２７】図３は、第２例のガス供給タイミングチャ
ートについて示している。この第２例が第１例と異なる
点は、アルミニウムソースガスを仕込んでアルミニウム
層を形成した後に、アルミニウム層内に含まれている不
要物を除去するための還元ガス注入段階をさらに実施す
ることにある。
【００２８】アルミニウムソースガスをＴA時間の間供
給してから、パージガスをＴP時間の間供給する段階ま
では、第１例と同様に実施する。本例ではその後に、ア
ルミニウムソースガス供給管１０９とパージガス供給管
１１３に設けられた弁１１６を閉ざすとともに還元ガス
供給管１１１に設けられた弁１１６を開け、還元ガス供
給器１１０から還元ガス供給管１１１を介して還元ガス
をＴR時間の間蒸着チャンバ１００内へ供給する。
【００２９】還元ガスは、半導体基板上に蒸着されたア
ルミニウム層内にある不要物を除去するために供給され
る。例えば、アルミニウムソースガスとしてＡｌＣｌ3
を使用した場合、アルミニウム層内に塩素などの不要物
が残っていると、アルミニウム層の電気的特性が劣化す
る。従って、還元ガスとしてＺｎのように塩素などのハ
ロゲン族元素と反応し得るガスを供給するか、ハロゲン
族元素と反応し得る還元基の−Ｈ基を含むＨ2、Ｓｉ
Ｈ4、Ｂ2Ｈ6などを供給することにより、塩素元素がこ
れらと反応して、ＺｎＣｌやＨＣｌの形で除去されるよ
うにする。
【００３０】つまり、アルミニウム層内の不要物と結合
し易い還元ガスによりアルミニウム層内の不要物を容易
に除去でき、これによりアルミニウム層の電気的特性を
向上させることができる。下記の表２には、還元ガスと
して使用可能なガスの種類を示してある。
【表２】
【００３１】なお、還元剤を気体状態で供給するより
は、プラズマ状態で供給した方が好適である。その理由
としては、プラズマは既に活性化した状態にあるため、
少量のエネルギーで還元反応がおこるからである。従っ
て、不要物の除去が容易であるから、アルミニウム層の
成膜速度を早めるという効果がある。
【００３２】このように第２例では、アルミニウムソー
スガス供給段階ＴA→パージガス供給段階ＴP→還元ガス
供給段階ＴR→パージガス供給段階ＴPからなる一つのサ
イクルをたどって、一定の厚さのアルミニウム層を形成
する。このサイクルを必要な回数繰返せば、必要とする
厚さのアルミニウム層を形成することができる。１サイ
クル当り蒸着されるアルミニウム層の厚さは、供給され
るアルミニウムソースガス、還元ガス、パージガスの流
量や供給時間により決まる。
【００３３】第２例に関しては他にも、一つのサイクル
の開始段階をパージガス供給段階として、パージガス供
給段階ＴP→アルミニウムソースガス供給段階ＴA→パー
ジガス供給段階ＴP→還元ガス供給段階ＴPのサイクルに
することが可能である。また、パージガスがパージ機能
の他、還元機能も有している場合には、還元ガス供給段
階を省き、第１例と同様の工程にすることが可能であ
る。
【００３４】図４は、ガス供給タイミングチャートの第
３例を示している。
【００３５】第３例では、アルミニウムソースガス供給
段階→パージガス供給段階をｎ回繰返して多層のアルミ
ニウム層を形成する段階ＴA-Pを第１例と同様に行う。
しかし、このように多層のアルミニウム層を形成した
後、第１例とは異なり、還元及びドーピング用不純物ガ
ス供給段階→パージガス供給段階をｍ回繰返して多層の
アルミニウム層に不純物をドーピングする段階ＴR-Pを
行う。すなわち、第３例では、多層のアルミニウム層を
形成する各段階と不純物をドーピングする各段階とを一
つのサイクルとしている。このとき蒸着しようとするア
ルミニウム層の厚さに応じてサイクルの繰返し回数を決
定すればよい。
【００３６】不純物をドーピングする理由は、純粋にア
ルミニウム層のみを形成する場合、電子の衝突によるア
ルミニウム原子の移動が起こり、アルミニウム配線の断
線が頻繁に生じるからである。したがって、第３例のよ
うにアルミニウム多層膜にドーピング用不純物ガスを仕
込み、エレクトロマイグレーション特性を改良すること
により、アルミニウム層の寿命を延ばしている。第３例
のドーピング用不純物ガスとして使用可能な物質を表３
に記載している。
【表３】
【００３７】なお、本発明は上記の形態に限定されるこ
となく、当業者のレベルでその変形及び改良が可能であ
る。
【００３８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の方法により
金属層を形成すると、スパッタリング法で蒸着する場合
に比べてステップカバレッジが向上し、化学的気相蒸着
法に比べ金属層の表面が均一に形成される。従って、本
発明により形成された金属層を配線膜として使用するこ
とにより金属配線の信頼性を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るアルミニウム層蒸着装置。
【図２】 ガス供給タイミングチャート（例１）。
【図３】 ガス供給タイミングチャート（例２）。
【図４】 ガス供給タイミングチャート（例３）。
【符号の説明】
１００ 蒸着チャンバ １０２Ａ，１０２Ｂ 半導体基板支持台 １０４ 半導体基板 １０６ ヒーティングブロック １０７ ヒータ １０９，１１１ ガス供給管 １１２ ガス供給器 １１３ パージガス供給管 １１６ 弁 １１８ ガス排気口

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板をチャンバ内へローディング
    する段階と、この後に金属ソースガスをチャンバ内へ供
    給して半導体基板上にその金属を化学的に付着させ、金
    属層を形成する段階と、この後に金属ソースガスの供給
    を遮断するとともにパージガスをチャンバ内へ供給し、
    チャンバ内に残留している金属ソースガスを除去する段
    階と、を実施することを特徴とする半導体デバイスの金
    属層形成方法。
  2. 【請求項２】 金属ソースガスを供給して金属層を形成
    する段階とパージガスを供給して残留ガスを除去する段
    階とを繰り返して多層のアルミニウム層を形成する請求
    項１記載の金属層形成方法。
  3. 【請求項３】 金属ソースガスは、固状の純粋Ａｌまた
    はＡｌ合金を加熱して生成したガスである請求項１また
    は請求項２に記載の金属層形成方法。
  4. 【請求項４】 金属ソースガスは、アルミニウムハロゲ
    ン化物溶液、トリイソブチルアルミニウム、ジメチルア
    ルミニウム水素化物、トリメチルアルミニウム、ジメチ
    ルエチル−アミンアランのうちのいずれかの金属有機蒸
    着源を気化させて生成したガスである請求項１または請
    求項２に記載の金属層形成方法。
  5. 【請求項５】 パージガスは、不活性気体またはＮ2ガ
    スである請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属層形
    成方法。
  6. 【請求項６】 運搬ガスを金属ソースガスに混合して供
    給する請求項１〜５の何れか１項に記載の金属層形成方
    法。
  7. 【請求項７】 運搬ガスとしてパージガスと同じガスを
    使用する請求項６に記載の金属層形成方法。
  8. 【請求項８】 パージガスを供給して残留ガスを除去す
    る段階の後に、パージガスの供給を遮断するとともに金
    属層還元用の還元ガスをチャンバ内へ供給し、金属層の
    不純物を除去する段階と、この後に還元ガスの供給を遮
    断するとともにパージガスを供給し、チャンバ内に残留
    している還元ガスを除去する段階と、を実施する請求項
    １〜７の何れか１項に記載の金属層形成方法。
  9. 【請求項９】 金属ソースガスを供給して金属層を形成
    する段階と、パージガスを供給して残留ガスを除去する
    段階と、還元ガスを供給して金属層の不純物を除去する
    段階と、パージガスを供給して残留ガスを除去する段階
    と、を順次繰返して多層の金属層を形成する請求項８に
    記載の金属層形成方法。
  10. 【請求項１０】 還元ガスは、Ｚｎガス、Ｃｕガス、Ｗ
    ガス、還元基の−Ｈ基を含む気体、ＴｉＣｌ4、ＷＦ6、
    またはＣｕＣｌxである請求項８または請求項９に記載
    の金属層形成方法。
  11. 【請求項１１】 還元ガスをプラズマ状態で供給する請
    求項８〜１０のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
  12. 【請求項１２】 （ａ）半導体基板をチャンバ内へロー
    ディングする段階、（ｂ）半導体基板を入れたチャンバ
    内へ金属ソースガスを供給して半導体基板上にその金属
    を化学的に付着させ、金属層を形成する過程と、この後
    に金属ソースガスの供給を遮断するとともにパージガス
    をチャンバ内へ供給し、チャンバ内に残留している金属
    ソースガスを除去する過程と、を実行して金属層を形成
    する段階、（ｃ）残留金属ソースガス除去終了でパージ
    ガス供給を遮断し、金属層を還元するとともに金属層内
    へ不純物をドーピングする還元・ドーピングガスをチャ
    ンバ内へ供給して金属層内の不純物除去及び不純物ドー
    ピングを行う過程と、この後に還元・ドーピング用ガス
    の供給を遮断するとともにパージガスを供給し、チャン
    バ内に残留している還元・ドーピング用ガスを除去する
    過程と、を実行する段階、を実施することを特徴とする
    半導体デバイスの金属層形成方法。
  13. 【請求項１３】 （ｂ）段階から（ｃ）段階までを所定
    回数繰返して多層の金属層を形成する請求項１２に記載
    の金属層形成方法。
  14. 【請求項１４】 （ｂ）段階を所定回数繰り返してから
    （ｃ）段階を所定回数実行し、多層の金属層を形成する
    請求項１２記載の金属層形成方法。
  15. 【請求項１５】 金属ソースガスは、固状の純粋Ａｌま
    たはＡｌ合金を加熱して生成したガスである請求項１２
    〜１４のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
  16. 【請求項１６】 金属ソースガスは、アルミニウムハロ
    ゲン化物溶液、トリイソブチルアルミニウム、ジメチル
    アルミニウム水素化物、トリメチルアルミニウム、ジメ
    チルエチル−アミンアランのうちのいずれかの金属有機
    物蒸着源を気化させて生成したガスである請求項１２〜
    １４のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
  17. 【請求項１７】 パージガスは、不活性気体またはＮ2
    ガスである請求項１２〜１６の何れか１項に記載の金属
    層形成方法。
  18. 【請求項１８】 還元・ドーピング用ガスは、Ｚｎガ
    ス、Ｃｕガス、Ｗガス、ＳｉＨ4、Ｂ2Ｈ6、ＴｉＣｌ4、
    ＷＦ6、またはＣｕＣｌxである請求項１２〜１７の何れ
    か１項に記載の金属層形成方法。
  19. 【請求項１９】 還元・ドーピング用ガスをプラズマ状
    態で供給する請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の
    金属層形成方法。
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