JPS6333569A - 金属薄膜の製造方法 - Google Patents

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〕 本発明は金属薄膜の製造方法にかかり、特に半導体集積
回路の電極配線として多様されているアルミニュウムｍ
膜の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

一般の半導体集積回路装置における電極あるいは配線材
料として、従来、専らアルミニュウムまたはアルミニュ
ウム合金が用いられており、これ以外の金属材料が用い
られることは極めて希である。この理由は、アルミニュ
ウムは導電率が最も高い金属の一つであり、しかも多量
に安価に入手できること、また酸化性雰囲気においても
表面にアルミナが形成され化学的に安定であること、シ
リコンやシリコン酸化膜と接着性が高いこと、などによ
ると考えられる。

一方、半導体集積回路装置の高速化、大容量化に伴って
、配線の多層化や微細化が強く望まれるようになり、配
線材料としてのアルミニュウム薄膜に対して幾つかの問
題点が生じてきた。その一つにいわゆるスルーホールの
被覆がある。

スルーホール部の被覆を含む配線形成方法として蒸着法
やスパッタ法等の物理的気相成長法が従来から一般的に
用いられていた。第７図は、スルーホール部の従来技術
によるアルミニュウム配線の被覆の様子を示す断面図で
ある。同図において、１１はシリコン基板、１２はシリ
コン酸化膜、１３はスルーホール、１４はアルミニュウ
ム配線である。この図から判るように、段部においてア
ルミニュウムの膜厚がかなり薄くなっている。これは、
物理的気相成長法では大部分の堆積粒子が基板に対して
垂直に近い方向から直進的に入射することに起因する。

すなわち、このような堆積粒子の振る舞いは、最も単純
な幾何学的効果として、基板に垂直な部分に付着する量
を水平面上よりも少なくしてしまう。また、このような
原因以外にも、斜めからの入射成分に対して段差下部（
スルーホール１３下部）で陰の領域が生じ、これが増幅
されてマイクロクラックと呼ばれる溝が発生すること等
がある。

このような、問題に対する一つの方法して、タングステ
ンの選択成長を利用したものがある。最近、タングステ
ンがシリコン上やアルミニュウム上にのみ選択的に堆積
され、シリコン酸化膜上には堆積されないという現象が
見出された。そこで、これを応用したスルーホールの平
坦化が試みられている。通常の半導体集積回路では眉間
絶縁膜としてシリコン酸化膜が用いられており、このシ
リコン酸化膜に開口したスルーホールの下地材料はシリ
コン基板、多結晶シリコンまたはアルミニュウムの何れ
かである。したがって、スルーホール形成後にタングス
テンの選択成長を行い、眉間絶縁膜の厚さに等しいタン
グステンをスルーホール内のみに埋め込むことによって
平坦な形状を得ることができる。このように、平坦にし
た後にスパ・ツタ法等により全面にアルミニュウム膜を
堆積してパターニングすれば、スルーホール部での断線
は生じない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、スルーホールの穴埋めに上記のようなタング
ステン選択成長技術を用いた場合には、アルミニュウム
からなる下層配線と上層配線との間に異種金属が挿入さ
れることになり、コンタクト抵抗や反応等の点で好まし
くない。また、従来のタングステン選択成長では、堆積
膜厚を厚くすると選択性が悪くなりシリコン酸化膜上に
も堆積するようになる。したがって、スルーホール膜厚
が厚い場合には平坦化出来なくなることがある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明にかかる金属薄膜の製造方法は上記問題点に鑑み
てなされたものであり、表面の一部が金属または半導体
であり他の表面部分が絶縁体゛である基板の前記金属ま
たは半導体からなる表面上に形成された自然酸化膜層を
除去する工程と、アルミニニウムの有機化合物を含む気
体を前記基板近傍に導き、前記基板を加熱すると共に前
記気体を前記基板の表面近傍において加熱することによ
り前記金属または半導体表面上にのみ選択的にアルミニ
ュウムを堆積する工程とを有するものである。

〔作用〕

基板表面に付着したアルミニュウムの有機化合物が、金
属または半導体表面上においてのみ還元反応を起こして
アルミニュウムの安定核が形成され、さらに安定核を中
心にしてアルミニュウムが成長し、これらが合体してア
ルミニュウム膜となる。

〔実施例〕 以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第２図は以下に説明する実施例に使用した化学的気相成
長（ＣＶＤ）装置を示す概略構成図であり、この装置の
詳細および排気系、制御系については省略しである。

本装置の真空室は大きく分けて堆積室２１、ウェハ出し
入れ室２２および原料室２３の３室からなり、それぞれ
独立に真空排気することができる。

到達圧力は、いずれの真空室も１０−”Ｔｏｒｒ程度の
高真空が望ましいが、ロータリーポンプのみを用いて排
気された低真空であっても、本発明の実施に際して基本
的な影響はない。

堆積室２１はバルブ２４を介してウェハ出し入れ室２２
と接続され、バルブ２５を介して原料室２３と接続され
ている。また、堆積室２１内には、最大５００℃まで加
熱できる基板ホルダ２７が設置されている。基板ホルダ
２７は、ウェハ出し入れ室２２から導入された堆積基板
ウェハ２８を密着して固定することができる。

原料室２３は外壁にヒータ２９が巻かれており、原料の
液温を所定の温度に加熱制御できる。また、このときに
液温を均一に保つための攪拌モータ３０が原料室２３の
上部に設置されている。原料室２３の上方部から水平に
突出した円筒管３１はバルブ２５を介して堆積室２１内
に接続されており、原料室２３で発生した原料ガスをほ
とんど圧力低下無しに堆積室２１内へ導入することがで
きる。

原料室２３から堆積室２１に至る原料ガスの経路は、一
旦気化した原料が再び液化しないように原料室２３と同
程度の温度に加熱される構造となっている。

第１図は、このようなＣＶＤ装置を用いて行う本発明の
金属薄膜の製造方法の一実施例を示す工程断面図である
。

初めに同図（ａ）に示すようにシリコン基板１の上にシ
リコン酸化膜２を形成する。シリコン基板１はここでは
ｐ形（１００）　５Ω０のものを用いているが、面方位
や比抵抗は他のものを用いても本質的な差異はない。ま
た、シリコン酸化膜２は本実施例ではシリコンを熱酸化
して形成したが、他の形成法、たとえば気相成長法やス
パッタ法で堆積したのでも良い。さらに、リンやボロン
を添加したシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜等の
他の材料であっても、いわゆる絶縁性の薄膜であれば、
本実施例の効果に基本的な差異はない。

つぎに、同図（ｂ）に示すように、公知のリソグラフィ
ー技術を用いてレジストマスクパターン形成を行い、続
いて公知のエツチング技術を用いてスルーホール３の形
成を行う。この工程におけるリソグラフィー技術やシリ
コン酸化膜２のエツチング技術には幾つかの方法が知ら
れており、どのような方法を用いても良い。しかし、シ
リコン酸化膜２のエツチングとしてガスプラズマを用い
たいわゆるドライエツチングを行った場合には、開口し
たシリコン表面に、観察するのに困難な極めて僅かの重
合膜や変質層が形成されることがある。このような僅か
の表面状態の変化が後のアルミニュウム堆積工程で大き
な影響を及ぼすので、このような重合膜や変質層は必ず
除去する必要がある。また、ドライエツチングでなく通
常の緩衝弗酸液によるウェットエツチングを用いて清浄
なシリコン表面を得た場合にも、エツチングマスクとし
て用いたレジストパターンを除去する工程や単純な時間
経過等によってシリコン表面に薄い自然酸化膜や他の汚
染が発生する。同図（ｂ）に示す自然酸化膜層４は、以
上に述べた自然酸化膜や変質汚染層を総称したものであ
る。

このような自然酸化膜膜４を除去するために、同図（ｃ
）に示すように、アルミニュウム堆積直前に、シリコン
表面清浄化のための前処理が必要である。この工程の主
たる目的は、シリコン基板１表面に形成された自然酸化
膜層４を除去することにより次工程の選択的なアルミニ
ュウム堆積の再現性を確保すると同時に、連続かつ平滑
で良質なアルミニュウム膜を得ることにある。

ウェットエツチングを用いて清浄なシリコン表面を得る
には、例えば通常は、１．５％の希弗酸水溶液中に１０
秒から数分程度浸せきしてシリコン酸化膜を軽くエツチ
ングすることによって、シリコン開口部に疎水性を確認
した後、数分から十数分間純水で洗浄して乾燥するだけ
でよい。

自然酸化膜のエツチング速度は弗酸の濃度が高いほど大
きいので、濃度が高い場合には疎水性を得るまでの時間
が短くなる。しかし、開口部３以外のシリコン酸化膜２
もエツチングされるので、エツチング条件はそれぞれの
場合に応じて適当に選ぶ必要がある。

また、水洗時間が長くなると再びシリコン基板１表面に
酸化膜が形成され、浸水性を示すようになるので、この
ようになる前に水洗を終了する。

希弗酸水溶液によるエツチングによっても疎水性が得ら
れない場合、または疎水性が得られても後の工程により
アルミニュウムを堆積したときに、正常な堆積条件にお
いても平滑で連続した膜になりにくい場合がある。これ
は、前述したドライエツチングその他によって、シリコ
ン表面に汚染や損傷が発生したときに見られるものであ
る。このような場合には、スルーホールを開口した後、
例えば９００℃前後の酸素雰囲気の中でシリコン表面を
酸化するなどの方法で、開口部３に数１０人〜９１００
人のシリコン酸化膜を形成し、ついでこの酸化膜を希弗
酸液等を用いて除去して疎水性を得ることにより、良好
なアルミニュウム膜を形成することができる。

なお、自然酸化膜を除去する方法としては上記以外に、
堆積基板ウェハを堆積室に設置してからアルゴンやフレ
オンイオンを用いて低エネルギでエツチングする方法も
有効である。たとえば、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃ
ｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ）法の場合、フ
レオンガス中で加速電圧５００Ｖ程度で数分間の処理を
行うことにより良好なアルミニニウム膜の堆積が可能と
なった。

以上の処理を行ったウェハ基板を第２図に示すＣＶＤ装
置にセットしてアルミニュウムの堆積を行うが、ウェハ
基板をセットする前に、ＣＶＤ装置では次に示す準備が
必要である。

初めに、原料室２３、堆積室２１およびウェハ出し入れ
室２２を予め十分真空排気し、原料室２３内のトリイソ
ブチルアルミニュウムの液体を攪拌モータ３０で温度を
均一に保ちながら所定の温度に加熱する。トリイソブチ
ルアルミニュウムは加熱の無い室温においても十分な蒸
気圧を有しているが、原料室２３を加熱することによっ
てより効率的に蒸気を発生ずることができる。しかしな
がら、加熱温度が５０℃を越えると、蒸気圧の低いジイ
ソブチルアルミニュウムハライドに変化し易くなること
が知られており、それほど高温にすることはできない。

ここでは４５℃に設定した。

原料ガスの供給能力に関しては、原料室２３の形状は直
径約１０１、高さ約２２ｃｍの円筒状であり、この程度
の液温と表面積であれば原料ガスの蒸発速度は十分に高
く、したがって、数１０　ｃｃ／ｎ＋ｉｎ程度の常用の
ガス消費時においてもほぼ原料ガスの蒸気圧を保つこと
ができる。また、原料室２３が円筒状であることから原
料ガスの量が変わっても液の表面積は変化せず、蒸発速
度は常に一定となる。したがって、原料ガスの流量は、
堆積室２１と不図示の排気ポンプとの間に設けられた可
変型のバルブ２６を操作することにより、はぼ圧力を一
定としたままで変えることができる。以上に述べた原料
室２３の加熱と並行して堆積室２１内の基板ホルダ２７
も昇温し、一定温度となるように制御する。

以上の準備作業の後、第１図（ｃ）に示す前処理の施さ
れたウェハ２８をウェハ出し入れ室２２にセットし、十
分に排気する。引き続いてウェハ２８を堆積室２１に移
動し、基板ホルダ２７に密着した状態で数分間保持する
ことによって、ウェハ２８の温度を基板ホルダ２７の温
度とほぼ同一にする。

つぎに、原料室２３と堆積室２１との間のバルブ２５を
開いて原料ガスを堆積室２１に導入し、アルミニュウム
の堆積を開始する。なお、バルブ２５を開いた直後に堆
積室２１の圧力が大きく変動しないように、バルブ２５
を開くまでの適当な時間、原料室２３を堆積中と同程度
の流量で排気しておくことが望ましい。

所定の堆積時間経過の後、バルブ２５を閉じて堆積を終
了する。

以上の処理を行うことによって、第１図（ｄ）に示すよ
うにシリコン基板１の開口部３にのみ選択的成長アルミ
ニュウム５を堆積することができる。

このようにアルミニュウムをシリコン酸化膜２上には堆
積せず、シリコン基板１上にのみ選択的に堆積するため
には、膜堆積条件を注意深く選ぶ必要がある。特に基板
温度は重要なパラメータであり、良好な状態で選択成長
を行うための基板温度の範囲はおおよそ２５０〜２８０
℃であるが、２２０〜２９０℃であれば十分に選択成長
が可能である。この温度範囲以下ではアルミニュウムは
シリコン上においてもほとんど堆積されなくなり、また
、上記温度範囲以上ではシリコン酸化膜２上にもアルミ
ニュウムの核が発生し、さらに高い温度ではシリコンと
シリコン酸化膜の区別なく無選択に堆積される。すなわ
ち、良好な選択性を得るためには、上記温度範囲内でも
より低い基板温度が望ましい。

アルミニュウム堆積の様子は基板温度以外の堆積条件、
すなわち原料ガスの圧力やウェハ表面における原料ガス
の速度等によっても変化する。ガスの圧力は、前述した
ように原料室２３の温度を室温から約５０℃までの範囲
内で変えることによって制御することができる。本実施
例の場合、原料室２３の上記温度範囲における圧力の制
御範囲、約０．２〜２Ｔｏｒｒのいずれにおいても選択
成長が可能であった。圧力が０．２　Ｔｏｒｒ以下では
ほとんど堆積は進行せず、圧力Ｑ、　２Ｔｏｒｒ以上に
おいて圧力の上昇と共に堆積速度が太き（なる傾向を示
した。

原料ガスのウェハ表面における速度は、流量が同一であ
っても堆積室２工の構造に大きく影響されるため、装置
依存性が大きく一般的に取り扱うことが困難である。し
かし、原料ガスのウェハ表面における速度変化は、装置
を固定した場合には流量変化により得ることができる。

本実施例で用いた標準的な流量としては２０〜３０　ｅ
ｅ／ｍｉｎ程度であったが、流量が５０　ｅｅ／１ｌＩ
ｉｎ程度以下であれば、膜堆積の状態にそれほど大きな
影響は見られなかった。

しかし、流量が大きくなるとウェハ２８の表面温度ある
いはウェハ２８の表面におけるガスの温度が低下し、ア
ルミニュウムの堆積が起こり難くなる傾向がみられた。

たとえば、流量を太き（したときには、標準的な流量の
場合より基板温度を２０〜３０℃高くしないと堆積しな
い場合があった。また、同一のガス流量においても、ウ
ェハ２８をガスの吹き出し日付近に設置すると、ウェハ
２８上の吹き出し口近傍のみアルミニュウムが堆積され
ない現象がみられた。

これらの現象は、本実施例で用いたＣＶＤ法がコールド
ウオール・タイプであるため、ウェハ２８の表面に低温
の原料ガスが導入されてウェハ２８近傍の温度が低下す
ることによると考えられる。

したがって、必要消費量以上にガス流量を高くしないこ
とが重要である。前述の選択成長可能の温度範囲は、ガ
ス流量を必要以上に高くしていない場合についてのもの
である。必要消費量の目安は、装置構造を固定してガス
流量を増やしていき、ガス流量をそれ以上増やしても堆
積速度が増加しなくなるときの流量である。ガス流量が
小さい場合にはこのような現象は見られず、掻端な場合
、排気を止め、原料室２３に接続された堆積室２１を密
閉した状態においても、十分な膜厚のアルミニュウム堆
積が可能であった。ただし、この場合には、トリイソブ
チルアルミニュウムの分解反応により発生するイソブチ
レンと水素ガスにより、堆積室２１内の圧力が時間と共
に上昇してしまう。

ここで、選択成長の機構、すなわちアルミニュウムがシ
リコン基板上にのみ堆積され、シリコン酸化膜上には堆
積されない理由について考察してみる。

原料ガスであるトリイソブチルアルミニュウムは、およ
そ５０℃以上でジイソブチルアルミニュウムハライドと
イソブチレンに分解すると言われている。

Ｔ＞５０℃ （（Ｃ１ｈ）　ｚ（Ｊｌ−ＣＨｚ）　３Ａｌ　　−（（
ＣＨ：＋）ｚＣＨ−ＣＨｚ）ｚＡＩＨ＋　（Ｃ）＋３）
ＺＣ＝ＣＨｚジイソブチルアルミニュウムハライドは約
２２０℃以上でアルミニュウムに変化する。

Ｔ＞２２０℃ （（ＣＨｓ）　ｚｃＨ−ＣＨｚ）　ｚＡＩＨ→ＡＩ　＋
　３／２Ｈｚ　＋　２（ＣＨｚ）ｚｃ＝ｃＨｚトータル
の反応として、 Ｔ＞２２０℃ （（ＣＨ：ｌ）　ｚｃＨ−ＣＨｚ）　３Ａ１　　→ＡＩ
　＋　３７２Ｈｔ　＋　３（ＣＨｉ）ｚｃ＝（ｊ（ｚと
なる。

真空中に導入されたトリイソブチルアルミニュウムの一
部は、加熱基板近傍の気相中で加熱され、ジイソブチル
アルミニュウムハライドとイソブチレンに分解すると考
えられる。気相中には、これらの有機アルミニュウムガ
スのほかに、アルミニュウム堆積反応で発生した炭化水
素と水素が含まれている。これら全てのガスは常に真空
ポンプにより排気されており、定常状態ではこれらのガ
ス分圧は一定の比率になる。

ＣＶＤによる膜堆積の過程は、−膜内にはつぎのように
説明される。基板表面に入射した種々のガス分子は、一
部は弾性反射し他は吸着する。吸着したガス分子は、基
板表面を拡散した後、再蒸発するかまたは反応してアル
ミニュウムに分解する。このようにして基板上に確率的
に発生したアルミニュウム原子は、基板上を表面拡散し
ている間に、原子同士の衝突によりクラスタを形成する
。

これらクラスタは、クラスタ同士の衝突やクラスタへの
アルミニュウム原子の吸収によって成長または消滅を繰
り返す。１つのクラスタの全自由エネルギは、凝縮の際
の自由エネルギ変化とクラスタの界面エネルギとの和で
あり、クラスタがある一定の大きさとなったときに最大
となる。このときのクラスタを臨界核、クラスタの半径
を臨界半径といい、臨界核より小さいクラスタは平均と
して消滅するが、一旦臨界半径を越えて安定核となった
ものは消滅することなく成長を続ける。成長した核はや
がて核同士で合体して連続膜となる。

以上の薄膜成長過程の中で、基板材質の違いによって膜
成長に選択性が生ずる原因として、吸着、反応、臨界核
形成の３つの過程が基板材質によって異なることが考え
られる。

まずはじめに、原料ガスの吸着過程に着目する。

基板表面での原子の滞在時間は吸着エネルギによって定
まり、吸着エネルギが２０ｋｃａｌを越えると吸着時間
は１０−１３秒のオーダーから急激に無限大に近づくこ
とが知られている。吸着エネルギが小さい基板上ではア
ルミニュウムへの分解反応が生じる前に再蒸発するのに
対し、大きな吸着エネルギの場合には、滞在時間が長く
この間にアルミニュウムへの分解反応が進行する。基板
表面近傍では、トリイソブチルアルミニュウムの一部は
、ジイソブチルアルミニュウムハライドに変化している
ものと考えられるが、このジイソブチルアルミニュウム
ハライドの蒸気圧はトリイソブチルアルミニュウムに比
較して数桁低いことから、実質的な膜形成に影響するの
は、ジイソブチルアルミニュウムハライドの吸着過程で
あると予想される。

このジイソブチルアルミニュウムハライド分子のシリコ
ン酸化膜上の吸着エネルギが、シリコン上に比べて小さ
い場合には、選択成長が起こることは十分に考えられる
。

つぎに、反応過程に着目した場合には、トリイソブチル
アルミニュウムまたはジイソブチルアルミニュウムハラ
イドのシリコン還元反応、あるいはこれらのガスの分解
反応におけるシリコンの触媒作用が考えられる。この場
合には、シリコン酸化膜上では反応は起こらない。本発
明の場合、アルミニュウムの膜厚が１μｍを越えても堆
積時間に対して膜厚が直線的に増加する結果が得られて
おり、このように膜厚が厚い状態でシリコン還元反応が
進行するためには、アルミニュウム中のシリコンの拡散
速度がかなり高いことが必要条件である。しかしながら
、堆積したアルミニュウムをウェットエツチングして下
地シリコン基板を観察したところ、シリコンの一部が侵
食を受けていることが明らかとなっており、膜堆積の初
期段階ではシリコンとの反応も十分考えられる。

最後に、臨界核形成過程において選択性の生じる原因に
ついて考える。基板上に形成された１つの臨界核の全自
由エネルギは、核の基板に対する接触角が大きくなると
急激に大きくなる。そして、この接触角は、核の界面エ
ネルギに比較して基板の界面エネルギが小さいほど大き
くなる傾向がある。アルミニュウムの界面エネルギは、
１１４０ｅｒｇａｍ−”と大きく、シリコンもほぼ同程
度に大きい。ところが、シリコン酸化膜の表面エネルギ
は６０５　ｅｒｇｃｔｍ−”と小さい。このため、アル
ミニュウム膜成長における臨界核の自由エネルギは、シ
リコ、ン基板上で小さく、シリコン酸化膜上で太き（な
る。臨界核の自由エネルギは、安定核生成のための活性
化エネルギと見做すことができ、この活性化エネルギが
小さいシリコン基板の場合には安定核は形成され易く、
小さな核が高密度にできて連続膜に成長する。これに対
し、シリコン酸化膜上では、安定核生成の活性化エネル
ギが大きく、核はほとんど形成されていないことになる
。界面エネルギは一般に、金属や半導体で大きく、絶縁
体で小さい。このことから、導電性材料上のみにアルミ
ニュウムを堆積する選択成長が可能となる。

選択成長のメカニズムとして以上の３点が考えられるが
、実際にこれらの機構の何れが主要な制御要因となって
いるかは堆積条件によっても変わると考えられ、これら
の過程を十分考慮して堆積条件を設定する必要がある。

第３図は、基板温度２７０℃、圧力０．５　Ｔｏｒｒ。

堆積時間２０分という代表的な堆積条件のもとでスルー
ホールとなる微細な開口部に堆積したアルミニュウムの
金属組織を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である
。アルミニュウムの結晶粒界がやや凹状になる傾向があ
るが、島状にはならず連続膜となっていることがわかる
。また、アルミニュウムはシリコン酸化膜上には全く堆
積されず、シリコン開口部にのみ選択的に堆積されてい
ることがわかる。このときのシリコン酸化膜の厚さは５
０００人であり、シリコン上には、この膜厚と同程度の
アルミニュウムが堆積されている。このアルミニュウム
膜の抵抗率は３．３μΩ国程度であり、膜内不純物もオ
ージェ分析の検出限界以下と良好であった。

なお、本実施例により広い範囲に堆積したアルミニュウ
ムの表面形状は、スパッタ法等の他の形成法と比較する
とやや表面の凹凸が大きいが、これは、一般に報告され
ているＣＶＤ法によって形成されたアルミニュウム膜に
共通な現象である。

凹凸の原因は、膜成長の初期段階において島形成が起こ
り、ついでこれらの島が繋がって膜が形成されるためと
考えられる。膜表面の凹凸は堆積時の基板加熱温度に大
きく影響され、基板温度を下げれば凹凸は低減される方
向にある。したがって、膜表面に凹凸を軽減するために
にも基板温度は低い方が望ましい。

第１図（ｅ）は、以上のようにしてスルーホール部３に
シリコン酸化膜２と同じ厚さのアルミニュウムを選択的
に堆積した後、通常のスパッタ法を用いてアルミニニウ
ム膜６を全面に堆積した状態を示している。同図はまた
、さらにアルミニュウム膜６のパターン形成を行って、
アルミニュウム配線パターンを形成した状態のスルーホ
ール３の断面形状をも示している。このようにアルミニ
ュウムの選択成長を利用することにより、スルーホール
であるシリコン開口部３で段差がなく平坦なアルミニュ
ウム配線を得ることが可能となっている。

タングステンの選択成長を用いた場合と比較すると、配
線材料と同種のアルミニュウムであることから、接触界
面の反応や抵抗増大がないこと、シリコン基板ｌとのコ
ンタクト抵抗が十分小さいこと、さらに、選択性良く深
いスルーホールを埋めることができる等の優れた特長を
有する。特に、堆積膜厚については、タングステンの場
合、堆積時間に対して膜厚が飽和する現象や、膜厚が厚
くなるとシリコン酸化膜上に核が発生するなどの問題が
あり、膜厚５ｏｏｏÅ以上のスルーホールを埋めること
は困難であった。これに対し、アルミニュウムの選択成
長の場合には、膜厚１μｍを越えても問題なく堆積する
ことが可能である。

本実施例では、シリコン酸化膜２に開口した基板シリコ
ン上のスルーホール３をアルミニュウムで埋める例を示
したが、シリコン酸化膜とシリコン基板との組み合わせ
以外に他の材料でも同様なことが可能である。半導体集
積回路のアルミニュウム配線では、絶縁膜の開口部を介
して素子部や下層の配線と接続する場合が多い。このと
きの開口部内の下地材質としては、通常、種々の不純物
を含んだ単結晶または多結晶シリコンあるいはアルミニ
ュウムである。その他に、チタンやモリブデン、タング
ステン、白金等の金属、あるいはチタンシリサイド、タ
ングステンシリサイド、モリブデンシリサイド、タンタ
ルシリサイド、白金シリサイド等のシリサイド材料、Ｇ
ａＡｓ等の化合物半導体、さらに、窒化チタンや窒化モ
リブデン等の化合物が用いられる場合もある。

特に、下地がシリコンの場合にはアルミニニウムとの反
応等によって界面が劣化し易いので、第４図に示すよう
に、スルーホール部のシリコン基板１の上に例えばチタ
ン、窒化チタン、チタンシリサイドのようなチタン系金
属、あるいはモリブデンやタングステン、またはそれら
のシリサイド、あるいは白金シリサイド等からなるバリ
ア層５０を形成した後に、アルミニュウム膜５を選択成
長する方がよい場合がある。

上述したいずれの材料も導電性を有する金属または半導
体であり、これらの材料上にはアルミニュウムの選択成
長が可能である。特に、シリコンに関しては、不純物と
して、砒素、リン、ボロン等を固容度程度まで含むもの
やこれら不純物の濃度の低い高抵抗の単結晶シリコンと
多結晶シリコンについて、アルミニュウム堆積が可能で
あることが実験的に確認できた。また、下地がアルミニ
ュウムまたはシリコン入りアルミニュウム等のアルミニ
ュウム合金の場合には、同一材料であることからアルミ
ニュウムを堆積できることは言うまでもないが、表面に
数１０Å以上の厚いアルミナ層が形成されることがしば
しばあるので、この様な場合にはシリコンの場合と同様
に希弗酸等を用いて軽くエツチングする必要がある。

一方、半導体集積回路で用いる絶縁膜の材質として、シ
リコン酸化膜が最も多く用いられるが、その他にシリコ
ン窒化膜なども用いられている。

シリコン酸化膜には、シリコンを熱酸化して形成したシ
リコン酸化膜や、他の形成法、たとえば気相成長法やス
パッタ法で堆積したもの、さらにリン辛ボロンを添加し
たシリコン酸化膜等がある。

本実施例によるアルミニュウム選択成長の条件では、こ
れらの絶縁膜上にはアルミニュウムは堆積されない。

また、アルミニュウムの有機化合物としてトリイソブチ
ルアルミニュウムの例を説明したがトリエチルアルミニ
ュウムあるいはトリメチルアルミニュウムを用いてもよ
い。

以上述べたことから、第１図（ｅ）のごとき開口部に段
差がなく平坦なアルミニュウム配線の形成は、半導体集
積回路におけるあらゆるスルーホールに対して適用でき
るものである。従来のように選択成長を用いないスパッ
タや蒸着のみの堆積においては、スルーホールである開
口部のアルミニュウム膜の表面に段差が形成され、かつ
段差下部にマイクロクランクが発生して、断線等による
歩留まり低下や信頼性低下の原因となっていた。

本発明によれば、スルーホールの段差とほぼ同じ厚さの
アルミニュウムを選択的に堆積することにより、半導体
集積回路のスルーホール部が平坦で断線がなく、歩留ま
りおよび信頼性の優れたアルミニュウム配線を形成する
ことができる。

第５図は、本発明の第２の実施例を示す工程断面図であ
り、ＭＯ３ＬＳＩのゲート電極、ソース、ドレイン上に
選択的にアルミニュウムを堆積し、低抵抗化を図った例
である。同図（ａ）〜（ｊ）は主要な製作工程の流れを
示しており、本発明に直接影響しない部分は省略しであ
る。

初めに、第５図（ａ）に示すように、シリコン酸化膜を
用いて形成された素子間分離領域６２を有するｐ型シリ
コン基板６１を用意し、さらに能動素子となるべき領域
にゲート酸化膜６３を形成する。

つぎに、同図（ｂ）（ｃ）に示すように、リンをドープ
した多結晶シリコン薄膜６４を堆積し、リソグラフィー
技術とエツチング技術とを用いて上記薄膜６４を加工し
、ゲート電極６５を形成する。多結晶シリコンの不純物
は、用途に応じてリン以外に砒素やボロン等であっても
よい。

続いて同図（ｄ）に示すように、ゲート電極６５の周囲
を酸化して多結晶シリコン酸化膜６６を形成し、ゲート
電極６５をマスクとしてソースおよびドレインとなる領
域６７の形成のためにイオン注入を行う。イオン種とし
ては、通常、ｎチャネル素子の場合は砒素またはリン、
ｐチャネル素子の場合はボロンが用いられる。

この後、注入イオン活性化のための熱処理を行い、減圧
ＣＶＤ法を用いて同図（ｅ）に示すようにシリコン酸化
膜６８を堆積する。このシリコン酸化膜６８はゲート電
極６５の側面部に厚く形成されるので、方向性を有する
ドライエツチングを用いることにより、同図（ｆ）に示
すようにゲート電極６５の側面にサイドウオール６９を
形成することができる。シリコン酸化膜６８は、ゲート
電極６５側面に厚（形成される絶縁膜であれば本来何で
あっても良く、リフローしたリン珪酸ガラス（ＰＳＧ）
や硼珪酸−リン珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）あるいは軽くバ
イアスを印加してスパッタしたいわゆるバイアススパッ
タシリコン酸化膜、さらにシリコン窒化膜等であっても
よい。

つぎに、同図（ｇ）に示すように、シリコン面が露出し
たゲート電極６５上とソース、ドレイン領域６７上にア
ルミニュウム７０を選択成長する。

アルミニュウム７０の堆積に先立って、自然酸化膜層の
除去のための前処理を行う。この前処理としては、ドラ
イエツチングを行った後であるので、一旦８００〜９０
０℃程度で１００人前後のシリコン酸化膜を形成し、次
に希弗酸液によりエツチングして清浄なシリコン表面を
露出させるのが良い。アルミニュウム７０の堆積は、基
板温度２７０℃、原料ガスの圧力０．５　Ｔｏｒｒの標
準的な条件で行い、堆積時間約５分で膜厚約１ｏｏｏ人
のアルミニュウムを形成した。

つぎに、同図（ｈ）に示すように、眉間絶縁膜７１を堆
積し、公知のリソグラフィー技術とエツチング技術（例
えばＣＦ、を用いたプラズマエツチング）を用いてスル
ーホール７２を形成する。

その後−船釣には、スパッタ法等を用いてアルミニュウ
ム膜を堆積して配線を形成するが、ここでは、同図（ｉ
）に示すように、本発明による選択成長アルミニュウム
膜７３を用いてスルーホール７２を埋める。アルミニュ
ウム７３の堆積の前処理としては希弗酸液によるエツチ
ングのみを行い、同図（ｇ）の場合と同一の方法を用い
て堆積する。堆積膜厚をスルーホール７２の深さと同一
の５０００人とすることによって、スルーホール７がで
きる。このあとスパッタ法等を用いて全面にアルミニュ
ウム膜を堆積し、公知のりソゲラフイー技術とエツチン
グ技術とを用いて同図（ｊ）に示すようなアルミニュウ
ム配線７４を完成する。

以上に述べたように、本実施例では、選択成長アルミニ
ュウムを多結晶シリコンに張り付けて電極配線を低抵抗
化し、さらにスルーホールの穴埋めに用いて平坦化を実
現しており、異なる２つの目的に利用している。特に、
張り付は技術に応用した場合には、アルミニュウムの抵
抗率が３．３μΩ口とバルクに近いことから、タングス
テンやシリサイドを張り付ける場合と比較して、１桁か
ら２桁程度の低抵抗化が可能である。また、ソース、ド
レインへの張り付けの場合には、アルミニュウムの膜厚
が大きいと、アルミニュウムが基板シリコンと反応し、
接合リーク等の障害を引き起こすが、本実施例のように
アルミニュウム膜厚が１０００人程度以下の場合には、
はとんど問題とならない．また、もし必要な場合には、
第４図に示すようにソース、ドレイン上または多結晶シ
リコンゲート電極上にバリア層を張り付けてから、アル
ミニュウムの選択成長を行ってもよい。このバリア層の
厚さは、例えば１００人のオーダーでよい。

この程度の厚さのバリア層の抵抗は、選択成長アルミニ
ュウムの抵抗に比べて数倍から１桁以上高く、アルミニ
ュウムを張り付けることによって初めて十分に低い抵抗
とすることができる。

第６図は、本発明の第３の実施例を示す工程断面図であ
り、バイポーラＬＳＩの電極引き出し、および多結晶シ
リコンを用いた抵抗体形成に応用した例である。

同図（ａ）はシリコン基板１０１中にｎｐｎ）ランジス
タを形成し、さらにその上に多結晶シリコン電極パター
ンを形成した状態を示している。

すなわち、１０２は素子間分離酸化膜、１０３はｎ゛埋
め込み層、１０４はコレクタ、１０５はベース、１０６
はエミッタである。この状態のシリコン基板１０１の表
面は、多結晶シリコン電極パターン１０７とそれらを分
離するシリコン酸化膜１０８、および抵抗低となるべき
多結晶シリコン領域上に形成された抵抗体形成用マスク
１０９とから構成されている。このマスク１０９の材質
は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁物が用い
られる。

この状態で、同図（ｂ）に示すように、露出した多結晶
シリコン上に、アルミニュウム１１０を選択成長する。

アルミニニウム１１０の堆積に先立って、自然酸化膜層
の除去のための前処理を行うが、この場合にも、第２の
実施例のときと同様にドライエツチングを行った後であ
るので、一旦８００〜９００℃程度で１００人前後のシ
リコン酸化膜を形成し、次に希弗酸液によりエツチング
して清浄なシリコン表面を露出させるのがよい。

アルミニュウム１１０の堆積は、基板温度２７０℃、原
料ガスの圧力Ｑ、　５　Ｔｏｒｒの標準的な条件で行い
、堆積時間約５分で膜厚約１０００人のアルミニュウム
膜１１０を形成した。このときのアルミニュウムにより
、多結晶シリコン電極パターン１０７が低抵抗化される
と同時に、抵抗体形成用マスク１０９の下の多結晶シリ
コンが、セルファライン的に寸法の定まった多結晶シリ
コン抵抗体１１１となる。

つぎに、同図（ｃ）に示すように、眉間絶縁膜１１２を
堆積し、公知のリソグラフィー技術とたとえばＣＦ、ガ
スプラズマを用いたエツチング技術とを用いてスルーホ
ール１１３を開ける。このあと−船釣には、スパッタ法
等を用いてアルミニュウム膜を堆積して配線を形成する
が、ここでは、同図（ｄ）に示すように、本実施例によ
る第２の選択成長アルミニニウム膜１１４を用いてスル
ーホール１１３を埋める。アルミニュウム１１４の堆積
前の前処理としては希弗酸液によるエツチングのみを行
い、同図（ｂ）の場合と同一の方法を用いて堆積する。

このとき、堆積膜厚をスルーホール１１３の深さと同一
の膜厚とすることによって、スルーホール１１３内を確
実に埋め込み、平坦な表面を得ることができる。このあ
と、スパッタ法等を用いて全面にアルミニュウム膜を堆
積し、公知のリソグラフィー技術とエツチング技術を用
いて同図（ｅ）に示すようなアルミニュウム配線１１５
を完成する。

以上に述べたように、本実施例では選択成長アルミニュ
ウムを多結晶シリコン電極に張り付けて低抵抗化すると
共に、同時に抵抗体の形成にも利用している。さらに、
スルーホール１１３の穴埋めにも選択成長アルミニュウ
ムを用いて平坦化を実現している。特に、張り付は技術
に応用した場合には、アルミニュウムの抵抗率が３．３
μΩ備とバルクに近いことから、タングステンやシリサ
イドを張り付ける場合と比較して、１桁から２桁程度の
低抵抗化が可能である。アルミニュウムの膜厚が大きい
と、アルミニュウムが基板シリコンと反応し、素子特性
の劣化が生ずるが、本実施例のようにアルミニュウム膜
厚が１０００人程度以下の場合には、はとんど問題とな
らない。また、もし必要な場合には、第４図に示すよう
に多結晶シリコン電極上にバリア層を張り付けてから、
アルミニュウムの選択成長を行ってもよい。このバリア
層の厚さは、例えば１００人のオーダーでよい。

この程度の厚さのバリア層の抵抗は、選択成長アルミニ
ュウムの抵抗に比べて数倍から１桁以上高く、アルミニ
ュウムを張り付けることによって初めて十分に低い抵抗
とすることができる。

なお、上記の全ての実施例において、アルミニュウムの
選択成長を第２図に示すコールドウオール・タイプのＣ
ＶＤ装置で行っているが、ホットウォール・タイプのＣ
ＶＤ装置でもそれは可能である。ホットウォールの場合
には雰囲気全体が加熱されるので、ガス流量が不十分で
あると原料ガス温度がウェハ基板温度と同程度にまで上
昇し、シリコン酸化膜上にもアルミニュウムの核が発生
し易い状態となる。したがって、ホットウォールの場合
にはガス流量を多（してガスの昇温を抑えてやることが
必要となる。このとき、キャリアガスとしてアルゴンガ
スを用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の金属薄膜の製造方法によれ
ば、シリコンやアルミニュウム等の導電材料上にのみア
ルミニュウムを選択的に堆積することができる。そのた
め、スルーホールをアルミニュウムで確実に埋め込むこ
とができるようになり、従来タングステンの選択成長に
より行っていたスルーホールの平坦化をアルミニュウム
で行うことができる。スルーホールの平坦化をアルミニ
ュウムで行うと、タングステンの場合よりもコンタクｌ
−抵抗を低下させることができ、スルーホール膜厚をよ
り厚くすることができる。

また、従来シリコン基板の拡散層領域や多結晶シリコン
等に選択的にタングステンを張り付けて低抵抗化を図っ
ていたが、タングステンに代えて本発明によりアルミニ
ュウムを張り付ければ一層低抵抗化が可能となる。

このように、半導体集積回路の主たる配線材料であるア
ルミニュウムが選択的に堆積できることは、配線構造上
極めて有用であり、本発明により高性能な半導体装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す工程断面図、第２図は
この実施例に用いたＣＶＤ装置の概略構成図、第３図は
スルーホール内に堆積したアルミニュウムの金属組織を
示す走査型電子顕微鏡写真、第４図はバリア層を用いた
場合のスルーホール部を示す断面図、第５図は本発明の
第２の実施例を示す工程断面図、第６図は本発明の第３
の実施例を示す工程断面図、第７図はスルーホールにお
ける従来のアルミニュウム配線の被覆形状を示す断面図
である。 １．６１，１０１・・・シリコン基板、２．７１゜１１
２・・・シリコン酸化膜、３．　７２．　１１３・・・
スルーホール、４・・・自然酸化膜層、５，７０，７３
゜１１０．１１４・・・選択成長アルミニュウム、６゜
７４．１１５・・・スパッタアルミニュウム膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面の一部が金属または半導体であり他の表面部
   分が絶縁体である基板の前記金属または半導体からなる
   表面上に形成された自然酸化膜層を除去する工程と、ア
   ルミニュウムの有機化合物を含む気体を前記基板近傍に
   導き、前記基板を加熱すると共に前記気体を前記基板の
   表面近傍において加熱することにより前記金属または半
   導体表面上にのみ選択的にアルミニュウムを堆積する工
   程とを有する金属薄膜の製造方法。
2. （２）アルミニュウムの有機化合物がトリイソブチルア
   ルミニュウムであり、基板の加熱温度が２２０〜２９０
   ℃である特許請求の範囲第１項記載の金属薄膜の製造方
   法。
3. （３）金属または半導体がスルーホール内の底表面に露
   出しており、前記スルーホール内の底表面の金属または
   半導体に堆積されるアルミニュウムの厚さを前記スルー
   ホールの深さ程度とする特許請求の範囲第１項記載の金
   属薄膜の製造方法。
4. （４）基板表面の一部を形成する半導体がポリシリコン
   である特許請求の範囲第１項記載の金属薄膜の製造方法
   。