(57)【特許請求の範囲】
【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、固体状の純粋なＡｌ又はＡｌ合金を加熱して生成した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、を実施するものであって、
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ことを特徴とする半導体デバイスの金属層形成方法。
【請求項２】
パージガスは、不活性気体またはＮ2ガスである請求項１に記載の金属層形成方法。
【請求項３】
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又は２の何れか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項４】
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３に記載の金属層形成方法。
【請求項５】
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１〜４の何れか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項６】
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５に記載の金属層形成方法。
【請求項７】
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５又は６の何れか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項８】
還元ガスをプラズマ状態で供給する請求項５〜７のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項９】
（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。
【請求項１０】
（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９に記載の金属層形成方法。
【請求項１１】
（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９記載の金属層形成方法。
【請求項１２】
金属ソースガスは、固体状の純粋ＡｌまたはＡｌ合金を加熱して生成したガスである請求項９〜１１のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項１３】
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９〜１１のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項１４】
パージガスは、不活性気体またはＮ2ガスである請求項９〜１３の何れか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項１５】
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９〜１４の何れか１項に記載の金属層形成方法。
【請求項１６】
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９〜１５のいずれか１項に記載の金属層形成方法。
【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 deposition）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１０００Å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、固体状の純粋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Ｎ2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、ＷＦ6、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１００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１１２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】
0003636598.tif 000002
【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、ＳｉＨ4、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】
0003636598.tif 000003
【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】
0003636598.tif 000004
【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
【図１】
0003636598.tif 000005
【図２】
0003636598.tif 000006
【図３】
0003636598.tif 000007
【図４】
0003636598.tif 000008