JPS6169969A - 遷移金属窒化物の薄膜蒸着方法 - Google Patents

遷移金属窒化物の薄膜蒸着方法

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JPS6169969A
JPS6169969A JP60196865A JP19686585A JPS6169969A JP S6169969 A JPS6169969 A JP S6169969A JP 60196865 A JP60196865 A JP 60196865A JP 19686585 A JP19686585 A JP 19686585A JP S6169969 A JPS6169969 A JP S6169969A
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deposition chamber
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は適当な基板上に遷移金属窒化物の薄膜を化学気
相蒸着（ＣＶＤ）で形成するための原料、装置および方
法に関する。
〔従来の技術〕
遷移金属窒化物の被膜は、非常に優れた電気伝導体であ
り、それが由来する金属自体に比べて酸化やその他の反
応に対し比較的不活性である。かかる被膜は、マイクロ
エレクトロニクス装置の伝導体として使用されている。
従来、遷移金属窒化物薄膜は、構成金属をアンモニアも
しくは窒素雰囲気中でスバヅタして適当な基板上に蒸着
して形成されていた。電子線蒸発によりターゲットから
選択された金属を蒸発させる場合、窒素雰囲気が特に好
まれている。薄膜がスパッタリングにより蒸着される場
合、該薄膜の平滑性（’ｅｖｅｎｎｅｓｓ　）と厚みを
制御することは困難であり、特に、このスパッタリング
操作が窒素雰囲気下で行なわれるとき制御は困難である
。多数の遷移金属はやはり扱いにくいものであり、スパ
ッタもしくは蒸発させることは難しい。この問題を説明
するために、いくつかの遷移金属の融点と沸点を下記の
第１表に示した。
第　　１　　表 金属元素　　　　　沸　点　　　　融　点タングステン
　　　５９２７℃　　３４１０℃モリブテン　　　　５
５６０℃　　２６１０℃タンタル　　　　　５４００℃
　　２９９６℃ハフニウム　　　　５４００℃　　２１
５０℃ニオブ　　　　　　４９２７℃　　２４６８℃ジ
ルコニウム　　　３５７８℃　　１８５２℃チタン　　
　　　　３２６０℃　　１６７５℃バナジウム　　　　
３０００℃　　１８９０℃クロム　　　　　　２４８２
℃　　１８９０℃大規模集積回路や超大規模集積回路の
ごときマイクロエレクトロニクス装置は高温、特に８０
０　℃を超えるような高温に敏感である。予め形成され
た装置の部分になんらの損傷を与えることなく、遷移金
属窒化物の被膜またはパターンをかかる装置上にスパッ
タにより形成することは困ｆｌｌもしくは不可能である
。かくして、この技術分野における問題は、中程度の温
度およびマイクロエレクトロニクス装置を組み立てるの
に必要な他の諸条件において遷移金属窒化物の被膜をい
かにうまく蒸着するかという点にかかってきた。
ＣＶＤは、蒸着すべき基板を含む加熱または電磁的にエ
ネルギーが印加された蒸着室に、通常液体もしくは気体
である所望の金属の化合物を送入する方法である。蒸着
室の熱的もしくは電磁的エネルギーにより、該化合物が
分解し、構成金属を遊離せしめ基板上に直接構成金属を
蒸着するか、蒸着室内の他の原料とさらに反応し、この
反応生成物を蒸着する。所望の遷移金属の有機金属化合
物や他の化合物が、中程度の温度に於て、対応する金属
よりはるかに高い蒸気圧を有するため４００℃〜８００
℃の蒸着温度（電子装置組み立ての間これを超える温度
は許されない）に於て分解して対応金属を放出するか、
その化合物を形成するような場合、ＣＶＤが特別の利点
を有していることが認識される。
ＣＶＤのために現在使用されている共形的な装置は、特
定されたプロセスのために選択された遷移金属化合物を
供給する気泡槽（ｂｕｂｂｌｅｒ）、薄膜が蒸着される
基板を含む反応器すなわち蒸着室、気泡槽内の遷移金属
化合物に対し不活性でありかつ蒸着室内の化合物に対し
不活性もしくは反応性であるキャリヤーガス源、および
反応室に供給される選択的な他の反応物質源、より構成
される。
気泡槽およびその内容物は遷移金属化合物の融点より平
均的に高いが、分解温度より低い比較的低温の一定温度
に維持されている。気泡槽は通常−２０℃ないし６０℃
の間の制御された温度に保持される。ＣＶＤ装置を操作
するために、キャリヤーガスが、気泡槽内の液体の遷移
金属化合物の表面下に導入される。キャリヤーガスの気
泡を増加させることにより、接触面積が一定値に増大し
該化合物を均一に気化させる。気泡槽の上方空間部に補
集されたキャリヤーガスと蒸気は連続的に蒸着室へ導ひ
かれる。
ここで開示された液体の遷移金属化合物のあるものは公
知であり、いくつかのものはＣＶＤのため使用すること
が示唆されている。しかしながら本発明者は、ここで開
示された方法が遷移金属窒化物の薄膜を蒸着するために
従来使用されたことがないことをＳ忍識している。
〔発明の要旨〕
本発明者は、基板上に選択された遷移金属の窒化物の被
膜を蒸着するための方法を見出した。最初に、選定され
た基板が蒸着室内に設置される。
次に、選ばれた遷移金属の次式の化合物が選択さされる
： Ｒｘ （式中、Ｍは選択された遷移金属；各Ｒはハロゲン、ア
ジドおよび からなる群より独立に選択され （ただし上式においてＲ１およびＲ２は、水素、低級ア
ルキル、シクロペンタジェニルおよびアルキル置換シク
ロペンタジェニルからなる群より選択される。）； Ｒのうち少くとも一つはハロゲンでなく、Ｘは２から６
の整数でありＭの価数（ｖａｌｅｎｃｅ）を表わす。選
択された遷移金属の化合物を次に蒸着室内に導入し、該
蒸着室内を、該化合物が熱分解し、かつ窒化物が形成す
る条件に維持する。特定の窒化物形成条件はこの明細書
で後に規定される。本発明の方法の結果、遷移金属窒化
物の薄膜が基板上に形成される。
〔発明の好ましい実施の態様〕 本発明で使用する遷移金属化合物は、発明の要旨の項に
おいてすでに規定した分子式と置換基を包含しうるもの
である。好ましい化合物は約−２０℃ないし６０℃の間
の温度において液体のものである。
上述した式の範囲に含まれつる特定の遷移金属Ｍは従来
の技術の項で規定した第１表に載せられている。
本発明において使用するハロゲンは弗素、塩素、臭素お
よび沃素を包含する。
前述の式に適用するための低級アルキルは、１ないし４
の炭素原子を含む置換基として定義され、特にメチル、
エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イ
ソブチル、およびｔ−ブチルを包含する。
本発明において定義されるアルキル置換シクロペンタジ
ェニルはアルキル置換シクロペンタジェニルおよびシク
ロペンタジェニル置換アルキルを包含し、このアルキル
は上に例示した低級アルキルである。
アルキル置換シクロペンタジェニルの意味における特定
の置換基は以下のごとくである：すなわち、メチルシク
ロペンタジェニル、４−（シクロペンタジェニル）−ｎ
−ブチル、ペンタメチルシクロペンタジェニル、および
最大６個までの同一または異なった低級アルキル基群に
より置換されたシクロペンタジェニルであり、Ｒの窒素
原子に直接にあるいは低級アルキル基群の一つのアルキ
ルにより結合しているものである。
本発明における特定のＲ置換基はジメチルアミノおよび
ジエチルアミノ基である。
ＸはＭの価数を表わし、各金属の固有価数（ｃｈａｒａ
ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｖａｌｅｎｃｅ）　　（Ｌばしば
多価である）に対応する２ないし６の整数である。
本発明において使用しようとする特定の遷移金属化合物
は下記のものを包含する： すなわち、 テトラキス（ジエチルアミノ）チタン、テトラキス（ジ
メチルアミノ）チタン、テトラキス（ジエチルアミノ）
ジルコニウム；テトラキス（ジメチルアミノ）ジルコニ
ウム；チタニウムアジド； テトラキス（ジシクロペンタジェニルアミノ）ジルコニ
ウム： テトラキス〔ジ（２−シクロペンタジェニルエチル）ア
ミノコジルコニウム； テトラアミノジルコニウム； ヘキサキス（ジメチルアミノ）タングステン；ヘキサキ
ス（ジメチルアミノ）モリブデン；ペンタキス（ジエチ
ルアミノ）タンタル；テトラキス（ジエチルアミノ）ノ
１フニウム；ペンタキス（ジエチルアミノ）ニオブ；ペ
ンタキス（ジエチルアミノ）バナジウム；ヘキサキス（
ジエチルアミノ）クロム：およびトリス（ジエチルアミ
ノ）モノクロロチタンである。
上記化合物のうち、最初の三つは、モートンチオコール
社（Ｍｏｒｔｏｎ　Ｔｈ１ｏｋｏｌ、　　Ｉｎｃ、　）
の一部門であるアル７７プロダクツ（Ａｌｆａ　Ｐｒｏ
ｄｕｃｔｓ）　（所在地：　Ｄａｎｖｅｒｓ、　Ｍａｓ
ｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、　０１９２３）から人手できる
。それ以外の化合物は以下に説明されているようにして
合成できる。
遷移金属のジアルキルアミノ誘導体は、対応するリチウ
ムのジアルキルアミドと遷移金属塩化物を、エーテルも
しくは芳香族の官能基を有する溶媒もしくは混合溶媒中
で反応させることにより合成される。塩化リチウムが沈
澱するのでこれを濾過により分離し、遷移金属のジアル
キルアミノ−置換化合物が残る。この反応は以下の化学
反応式％式％ 純粋な化合物を得るためには、溶媒を蒸発除去し、生成
物を蒸留する。この化合物は液体であるから、蒸留は通
常中程度の温度で行うことができる。アミノ置換遷移金
属化合物を合成する代替的な方法は、対応するアミンと
対応する遷移金属のハロゲン化物を次式に従って加熱す
ることである：すなわち、 ＭＣＩｔ　Ｘ＋ＸＨＮ（Ｒ，Ｒ２）　−ＸＨＣｆｆｉ＋
Ｍ　ＣＮ（Ｒ，Ｒ，）　Ｅ　Ｘ　　　　“反応生成物は
上記リチウム反応において述べたのと実質的に同様に処
理される。ここで開示されたハロゲン化アミノ−置換遷
移金属化合物は過剰の遷移金属のハロゲン化物を供給す
ることにより、この反応に従って合成される。
遷移金属アジドを合成するためには、適当な遷移金属の
塩化物をナトリウムもしくはリチウムのアジドと反応さ
せ、ひき続いてジアルキルアミノ化合物について述べた
と同様に処理すればよい。
この反応式は次のごとくである： すなわち、 ：、ＩＣβｘ　”　Ｘ　ＮａＬ　　−＋　Ｘ　ＮａＣｌ
　＋　！Ｊ（Ｎ３）Ｘさてこれから、前記した化合物を
使用する、金属有機物の化学気相蒸着方法を遂行するた
めの実施条件について論じよう。
蒸着過程をキャリヤーガスを使用しないで実施すること
は可能である。すなわち、遷移金属源として使用する遷
移金属化合物を蒸着室内へ単に拡欣により導入するか、
蒸着室の出口に設置した真空ポンプにより遷移金属化合
物の蒸気を蒸着室内に吸引することである。しかしなが
ら、本発明の好ましい実施の態様においては、キャリヤ
ーガスを使用して遷移金属化合物を同伴し、蒸着室内へ
輸送する。好ましいキャリヤーガスは蒸着室内が維持さ
れている熱分解条件において選択された遷移金属と反応
し、遷移金属化合物の被膜を形成するようなものである
。
キャリヤーガスとしては、水素、窒素もしくはこの混合
ガスが使用可能であるが、それぞれを単独で使用するよ
りも混合ガスの使用が好ましい。
ヒドラジンガスと水素ガスとの混合ガスも本発明の範囲
内に含まれる。好ましい水素／ヒドラジン混合ガスは約
１０％から２０％（容量％）のヒドラジンを包含する。
キャリヤーガス中の水素は還元剤で遷移金属の酸化を防
止する一方、キャリヤーガス中の窒素もしくは遷移金属
化合物の置換基に由来する窒素は蒸着室内の遷移金属化
合物と反応し、窒化物を生成する。キャリヤーガスの流
量は、一種類のガスが使用されたとして、最低数ｃｒｄ
／ｍｉｎ　、最大数１２７ｍ１ｎである。キャリヤーガ
スの圧力は通常大気圧であるが、所望により大気圧以下
の圧力も使用できる。
選択された遷移金属化合物は、蒸着室内へ蒸気として輸
送できるように制御された仕方で蒸発させられる。好ま
しい装置は気泡槽であり、この中で遷移金属化合物の蒸
気はキャリヤーガスに同伴させられる。キャリヤーガス
中の遷移金属化合物の分圧は約０．２ｔＯｒｒないし約
１００ｔｏｒｒでありうる。気泡槽は、液体の遷移金属
化合物が相当な蒸気圧を示すような十分高い温度でかつ
気泡槽中で分解するのを防止できるような十分低い特定
の温度に維持される。典型的な気泡槽の温度は、選択さ
れた特定の遷移金属化合物に応じて、−２０℃ないし６
０℃である。
通常のＣＶＤに対しては、蒸着室は約４００℃ないし約
８００℃、好ましくは約６５０℃ないし約７００℃に維
持される。蒸着室の温度が高いほど、遷移金属化合物は
より速く分解、反応し、遷移金属窒化物の被膜を形成す
る。もし、プラズマで促進される化学気相蒸着が採用さ
れた場合、蒸着室は高周波の場を発生する電磁コイルが
装備され、蒸着室内に原料種（ｓｐｅｃｉｅｓ）のプラ
ズマを形成する。場の周波数は代表的には４５０ＫＨｚ
である。もしプラズマで促進された蒸着方法を選択した
場合、蒸着室内の温度は約３００℃ないし約４００℃が
可能である。（電磁波の場が遷移金属化合物の分解を促
進するので、基板はより低温に保持すればよい。）もし
、レーザもしくは光励起化学気相蒸着が採用された場合
、蒸着室内の温度は３００℃未満とすることができる。
遷移金属窒化物の薄膜の蒸着が行なわれるべき基板には
いかなる公知のものも使用できる。よく知られた基板と
しては結晶ケイ素およびガリウム砒素が含まれる。
上記した因子を、よく知られた仕方で調節することによ
り、基板上への遷移金属窒化物の薄膜の蒸着速度を調節
することができる。代表的な蒸着速度は１０ないし１０
００オングストローム／ｍｉｎの範囲であり、通常の蒸
着速度は１００オングストローム／＋ｍｉｎ　である。
代表的なマイクロエレクトロニクス装置のための薄膜の
最終的厚みは少くとも約１ミクロン（１０，０００オン
グストローム）であり、通常の厚みの上限は数ミクロン
である。もちろん、ここで述べたよりも厚い薄膜もしく
は薄い薄膜もまた本発明の範囲に含まれるものである。
〔実施例〕
実施例１：ケイ素基板上への窒化チタンの蒸着この実施
例においては、テトラキス（ジメチルアミノ）チタンを
原料物質として使用し、結晶ケイ素基板上に窒化チタン
を蒸着する。使用された装置は、マリナス（Ｍａｒｉｎ
ａｃｅ　）の“ケイ素−炭素化合物の薄膜”における図
に規定されたものと同Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）、　Ｖｏｌｕ
ｍｅ　１７．　Ｎｏ、　１０．　　（１９７５））　。
この参考文献はここで引用することにより本明細書に包
含される。本実施例においてキャリヤーガスは５０％窒
素と５０％水素の混合ガスであり大気圧で供給される。
チタン化合物の分圧は約ｌ　Ｑ　Ｑｔｏｒｒである。キ
ャリヤーガスの流量は約ＩＡ　／ｍｉｎであり、気泡槽
は約３５℃に維持される。
蒸着室は約７００℃に、保持される。この条件において
、窒化チタンの被膜は約１００オングストローム／ｍｉ
ｎの蒸着速度で基板上に蒸着される。
蒸着過程は約１００分継続し、最終的に約１ミクロンの
厚みの薄膜が得られる。
実施例２：他の遷移金属窒化物の蒸着 実施例１におけるテトラキス（ジメチルアミノ）チタン
の代りにそれぞれ前述した遷移金属化合物を使用したほ
かは実施例Ｉと同様の方法をくり返し、各遷移金属の窒
化物を結晶ケイ素基板上に蒸着する。得られた薄膜は各
遷移金属の実質的に純粋な窒化物からなることが見出さ
れた。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板上に、選択された遷移金属窒化物の薄膜を蒸
    着する方法であって、 Ａ、蒸着室内に基板を設置し、 Ｂ、該基板上に蒸着すべき遷移金属窒化物を選択し、 Ｃ、次式で表わされる遷移金属化合物を供給し：ＭＲ＿
    ｘ （式中、Ｍは選択された遷移金属；各Ｒはアジド、ハロ
    ゲンおよび： ▲数式、化学式、表等があります▼ からなる群より選択され （ただし上式においてＲ＾１およびＲ＾２は、水素低級
    アルキル、シクロペンタジエニルおよびアルキル置換シ
    クロペンタジエニルからなる群より選択される。）； Ｒのうち少くとも一つはハロゲンでなく、Ｘは２から６
    の整数である。）、 Ｄ、該遷移金属化合物を該蒸着室内に導入し、該蒸着室
    内を該化合物が熱分解しかつ窒化物が形成する条件に維
    持し、かくして該基板上に該基板上に該遷移金属の窒化
    物を蒸着する工程を含む薄膜蒸着方法。
  2. （２）熱分解条件が約４００℃ないし約８００℃の温度
    であり、かつ遷移金属化合物の分圧が約０．２ｔｏｒｒ
    ないし約１００ｔｏｒｒである特許請求の範囲第（１）
    項記載の方法。
  3. （３）遷移金属化合物を液状に保持し、キャリヤーガス
    により該遷移金属化合物を同伴し、該同伴された化合物
    およびキャリヤーガスを蒸着室内に輸送することにより
    、導入工程が行なわれる特許請求の範囲第（１）項記載
    の方法。
  4. （４）キャリヤーガスによる遷移金属化合物の同伴が気
    泡槽内で行なわれる特許請求の範囲第（３）項記載の方
    法。
  5. （５）キャリヤーガスが水素と窒素の混合ガスである特
    許請求の範囲第（３）項記載の方法。
  6. （６）キャリヤーガスが水素とヒドラジンの混合ガスで
    ある特許請求の範囲第（５）項記載の方法。
  7. （７）基板がケイ素およびガリウム砒素からなる群より
    選択される特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
  8. （８）遷移金属窒化物の蒸着速度が少くとも１０オング
    ストローム／ｍｉｎである特許請求の範囲第（１）項記
    載の方法。
  9. （９）Ｍがチタン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム
    、タンタル、モリブデン、タングステン、クロム、およ
    びバナジウムからなる群より選択される特許請求の範囲
    第（１）項記載の方法。
  10. （１０）遷移金属化合物がテトラキスジメチルアミノチ
    タン、テトラキスジエチルアミノチタン、テトラキスジ
    メチルアミノジルコニウム、およびテトラキスジエチル
    アミノジルコニウムからなる群より選択される特許請求
    の範囲第（１）項記載の方法。
  11. （１１）遷移金属化合物がテトラキス（ジメチルアミノ
    ）チタンである特許請求の範囲第（１）項記載の方法。
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