JPS5948952B2 - 金属薄膜の形成方法 - Google Patents

金属薄膜の形成方法

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JPS5948952B2
JPS5948952B2 JP56042209A JP4220981A JPS5948952B2 JP S5948952 B2 JPS5948952 B2 JP S5948952B2 JP 56042209 A JP56042209 A JP 56042209A JP 4220981 A JP4220981 A JP 4220981A JP S5948952 B2 JPS5948952 B2 JP S5948952B2
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    • H01L21/32051—Deposition of metallic or metal-silicide layers

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属薄膜の形成方法に係る。
通常、半導体装置などの電子装置の配線として、金属薄
膜を付着後、エッチングによるパターン形成を行なう方
法が多く用いられている。
金属の付着方法としては、真空蒸着法、スパッタリング
、あるいは化学気相成長法等の手段があることが知られ
ている。半導体装置における金属材料としては、ＡＬＡ
ｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏなどが用いられる。この内、
Ａｌは半導体基板のＳｉとの電気的接触抵抗が低く、又
、絶縁物質として多く使われる二酸化シリコン（ＳｉＯ
０）膜との密着性も強固であることから最も一般的な金
属材料である。Ａｌは真空蒸着法によつて容易に、比較
的清浄で、均一な薄膜形成が可能であることも多く使わ
れる理由の一つとして挙げられる。
一方、半導体装置は、高集積化が進み、特に、ＳＬＩと
して複雑多機能なシステムが実現されるようになつたが
、今後益々集積度を上げるためには、内部の各素子の微
細加工と、微小化が重要である。
そこでは、厚さ方向の微小化はあまり進まない。
言い換えるならば素子の高集積化が進むにつれて主面上
の凹凸が従来以上に激しくなる。即ち、高集積化のｕ■
をレイアウトするためには、配線が複雑になり、これを
避けるためには従来の金属一層の配線を二層あるいは三
層以上の多層配線におきかえていかないと、配線の占め
る面積が著しく大きくなる。そこでは、多層配線間を、
新たな絶縁膜で分離しなければならず、電気的接触をと
るべき最下層の半導体基板と最上層の配線金属層とは、
大きな段差が生まれることになる。又、層間絶縁膜ある
いは金属の加工は、方向性をもつたイオンを利用するな
どの方法により、加ノエ精度が大幅に改善されつつある
。これらの状況において、高集積ＬＳＩを製造する時に
直面する大きな問題の１、つは、かかる高い表面断差を
金属配線が断線なしに乗り越えなければならない時にお
こる。即ち、従来の真空蒸着法によれば、セルフ・シャ
ドー効果により、断差領域の金属は不連続になりしばし
ば断線を発生させた。この様なステツプカバレツジを改
善する目的で、一度付けた金属を一部エツチしてさらに
蒸着を重ねる方法、他の金属を混合させる方法、下地に
他の金属を付ける方法、表面をスパツタエツチあるいは
プラズマに晒す方法等が提案され、一部実用されている
。又、ステツプカバレツジを改善する比較的有効な方法
としては、マグネトロンスパツタリングによる金属の付
着法があり、広く用いられつつある。しかし、その場合
でも、基板に平行な面に対して、垂直に近い絶縁膜壁面
などにおいては、基板に平行な面に対し２０〜３０％の
膜厚でしかなく蒸着の場合と同じく断線の危険の多々存
在する。
本発明は、電子装置特に半導体装置に必要とされるＡｌ
の配線形式における新しい薄膜形成の手法を提供するこ
とを目的としている。即ち、本発明は、従来試みられて
いなかつたＡ１の気相成長法に関するもので、特に常圧
以下に減圧した圧力下におけるハロゲン化合物の不均等
価反応を利用することにより均一なＡｌ薄膜を段差の大
きな基板上へ断線することなしに形成可能方法を提供す
るものである。
（１）式にハロゲン化合物の不均等価反応における反応
式を示す。
（ここでＡｌＸ３は３価のハロゲン化アルミニウムＡｌ
Ｘは１価のハロゲン化アルミニウムである。
）以下、上記Ｘ＝Ｃｌの場合について説明をする。例え
ば、Ａｌ薄膜形成の原料として塩化アルミニウム（Ａｌ
Ｃｌ３）及び金属アルミニウム（Ａ１）を用いたとする
と、これらは６ナイン以上の高純物のものを容易に入手
することが出来るため、本発明の実施に適するものであ
る。Ａｌ？．ＡｌＣｌ３の反応において、（１）式に示
される不均等価反応の右辺方向への進行は吸熱反応であ
るため高温にてＡｌＣｌのガスができる。
一方、低温領域では反応が左辺へ進行し、ＡｌＣｌがＡ
ｌを放出しＡｌＣｌ３の安定な状態となるため該放出さ
れたＡｌが薄膜を形成する可能性を示している。
しかしながら、通常、金属薄膜を付着する時の基板温度
は、室温から４００℃程度が望ましく、これ以上では使
用に制限が出てくる。（１）式に示される反応を常圧ガ
ス雰囲気（例えばＨ２のガス雰囲気）で行うと、Ａｌの
薄膜は７００〜９００℃の基板で付着されてしまう。す
なわち、常圧下におけるＡｌの融点が６６０℃であるか
ら、基板温度を６６０℃以下としない限りＡｌは凝集し
てしまい均一な薄膜は得られない。本発明では、上記問
題点を解決するため反応雰囲気を減圧下としている。
第１図に各温度における平衡状態のＡｌＣｌとＡｌＣｌ
３の分圧比を示す。
尚、図中横軸は反応温度を縦軸は分圧比をそれぞれ示し
ている。図からも明らかであるように、高温になるほど
ＡｌＣｌの分圧（以下ＰＡｌＯｌと表わす）とＡｌＣｌ
３の分圧（以下ＰＡｌＯｌ３と表わす）との分圧比ＰＡ
ｌＯｌ／ＰＡｌＯｌ３は増加する。即ち、反応温度が上
昇するに従つて大量のＡｌＣｌが生成され、次いで該Ａ
ｌＣｌを低温領域でＡｌＣｌ３とＡ１に分解することに
より大量のＡ１が生成されることになる。しかし乍ら、
反応管内の全圧（以下ＰＴと表わす）が７６０Ｔ０ｒｒ
、即ち常圧下の反応の場合は、１２００℃の温度下で分
圧比ＰＡ，Ｏｌ／ＰＡｌＯｌ３＋０．３が得られるのに
対し、８００℃の温度下では約０．００６の分圧比しか
得られない。
従つて、常圧における８００℃の温度下では、ほぼＡｌ
Ｃｌの全てがＡｌＣｌ３及びＡｌとなつてしまい、ゆる
やかな温度勾配を持つ反応炉を用いた場合、６６０℃の
Ａ１の融点以下の温度では、ほとんどＡｌＣｌが生成さ
れず、均一な薄膜を得ることが困難である。よつて、本
発明では反応管内の全圧を常圧以下とし、比較的低温の
領域下においても多量のＡｌＣｌを生成することを可能
としている。
これは、第１図からも明確であるように、例えば全圧Ｐ
ェ＝７．６Ｔ０ｒｒの場合、８００℃の温度下であつて
もＰＡｌＣｌ／ＰＡｌＯｌ３は約０．．１３であり、Ｐ
Ｔ＝７６０Ｔ０ォの場合に比べてＡｌＣｌの分圧が十分
に大きく、たとえＡｌの融点下の温度であつて！Ｊ？．
，、均一な膜厚を有する段切れ等のない薄膜を得ること
が可能である。以下、図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明をする。
第２図は、シリコン（Ｓｉ）基板１上に約１μｍの厚さ
のＳｉＯ２層２を形成し、次いで選択的にエツチングを
行ない、基板表面３を露出せしめた試料の断面図である
。
上記エツチングはホトレジスト膜をマスクとした通常の
リアクテイブ・スパツタエツチングによつているため、
第２図に示されるが如き、ほぼ垂直に近いエツチ壁面を
得ることが出来る。第３図は、第１図で示した基板表面
上に、通常の真空蒸着法により、Ａｌ層１４を５０００
人の厚さで形成した時の断面を示している。
蒸着工程中、基板を回転させる等しても、前述のセルフ
シヤド一効果により壁面１５にＡｌ層１４を形成するこ
とは困難で゛あつた。第４図は、本発明の一実施例であ
り、第１図に示した基板表面に減圧下におけるＡｌＣｌ
３とＡ１を原料とする不均等価反応により約５０００人
の厚さのＡｌ層を成長せしめたものである。
第４図に示されるように、本発明によればシリコン基板
２１表面、ＳｉＯ２層２２表面は勿論のこと、ＳｉＯ２
膜２２の壁面にも、ほぼ均一な膜厚でＡｌ薄膜を形成で
きた。次に、本願発明を実施する具体的手段について説
明をする。
第５図に、本発明による金属薄膜を形成する装置の一例
を示す。
図中、４１，４２は電気炉で夫々１０００℃、４００℃
に設定されている。
４３は石英反応管、４４はガスコントローラであり、こ
こではキヤリアガスとして水素（Ｈ２）を反応管４３へ
導入した。
４５は減圧のための排気口で、ブースター及び真空ロー
タリーポンプへ接続されている。
４６は溶融Ａｌ．４７はＳｉウエハ一である。
ここではＨ２の流量を２００ｃｃノＭｉｎとし、反応管
４３内部の圧力を１０１０ｒｒ一定とする。４８はＡｌ
Ｃｌ３容器で、Ｈ２をキヤリアとしてＡｌＣｌ３蒸気と
混合し、反応管内へ送る。
ここで、ＡｌＣｌ３の温度は約１０００℃で溶融Ａｌｌ
２とほぼ完全に反応しＡｌＣｌとなる。（第１図参照）
次いで、該ＡｌＣｌは４２で示される低温炉の方へ輸送
される。
Ｓｉウエハ一４７の表面温度は前述の如く４００℃に設
定されており、又、該Ｓｉウエハ一４７の断面は第２図
で示されるものである。
Ｓｉウエハ一４７上でＡＩＣｌはＡＩＣＩ３を放出し、
約５００Ｎｍｉｎの成長速度でＡｌ薄膜を析出させる。
上記実施例では圧力を１０ェ。１．ｒ、ウエハの温度を
４００℃としたが、圧力については常圧以下に減圧して
おけばよいが、実際には反応質内の圧力を一定に保つた
めの安定な圧力の上限としては一般に５００Ｔ０ｒｒ以
下程度であり、下限としてはＡｌ膜の堆積速度を実用的
な値１００人／分以上とするために１ェ。
Ｒｒ以上程度である。さらに、温度についてはＡｌの融
点以下にすれば良いが、実際にはＡｌの結晶粒径の過度
な増大を防ぐために上限の温度として５００℃以下程度
で、さらに下限としてはＡｌと基板との密着性を良好に
保つために１５０℃以上程度が適当である。上記の如き
範囲内であれば均一なＡｌ膜を形成することができる。
以上本発明による金属薄膜の形成方法で、Ａｌ薄膜は、
前述の従来技術による形成方法の様に方向性を持つてＳ
ｉウエハ一上に成長しないため、第４図に示されるが如
く表面に一様の厚さをもつて形成可能である。
従つて、本発明によれば、半導体装置製造におけるＡｌ
配線は高い段差を乗り越えることが可能で断線をするこ
とがなく、又、高集積のＬＳＩを歩留り良く製造するこ
とが出来る。
又、上記実施例としては、ＡｌＣｌ３を用いた形成方法
について示したが、他のハロゲン化アルミニウムとして
、ＡｌＢｒ３、Ａｌ３、又はこれらを混合せしめたもの
の適用も可能である。
更に、前記実施例において、キヤリアガスとしてＨ２を
使用していたが、本発明の実施ではＮ２等の他のキヤリ
アガスを用いることも可能である。
しかし乍ら、Ａｌが酸化され易い材質であることから、
その形成は還元雰囲気中で行なわれることが好ましい。
よつて、反応雰囲気中に水素を含有せしめることは本発
明の適用に有効である。ノ
【図面の簡単な説明】
第１図はＡｌＣｌとＡｌＣｌ３との分圧比と反応温度と
の関係を、第２図は表面に段差を有する基板の一例を、
第３図は従来技術によりＡｌ層を成長させた基板の断面
図を、第４図は本発明によりＡｌ層・を成長させた基板
の断面図を、第５図は本発明を具体的に実現する装置の
概略を、それぞれ表わしている。 図中、１，１１，２１はＳｉ基板、２，１２，２２はＳ
ｉＯ２膜、３は基板の露出した領域、１４，フ２４はＡ
ｌ薄膜、１５はＳｉＯ２膜壁面、４１，４２は電気炉、
４３は石英反応管、４４はガスコントカーラ、４５は排
気口、４６は溶融Ａｌ、４７はＳｉウエハ一 ４８はＡ
ｌＣｌ３容器を示している。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ １〜５００Ｔｏｒｒの圧力下において、三価のハロ
    ゲン化アルミニウムと金属アルミニウムとを反応させ一
    価のハロゲン化アルミニウムを生成し、次いで該一価の
    ハロゲン化アルミニウムを三価のハロゲン化アルミニウ
    ムと金属アルミニウムとに分解し、該金属アルミニウム
    を１５０〜５００℃の温度領域に保持した基板上に析出
    せしめ、アルミニウム薄膜を成長させることを特徴とす
    る金属薄膜の形成方法。 ２ 前記三価のハロゲン化アルミニウムとして、ＡｌＣ
    ｌ＿３、若しくはＡｌＢｒ＿３、若しくはＡｌＩ＿３又
    はこれらの混合物を用いたことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の金属薄膜の形成方法。 ３ 前記三価のハロゲン化アルミニウムの分解反応が、
    水素を含有する雰囲気中で行なわれることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項記載の金属薄膜の形成方法。
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