(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の式（１）で示されるチタン錯体をアミン系溶媒に溶解したことを特徴とする有機金属化学蒸着法用溶液原料。
【化１】
0003894010.tif 000007
但し、Ｒは炭素数１〜４の直鎖又は分岐状アルキル基である。
【請求項２】
請求項１記載の式（１）で示されるチタン錯体のＲがメチル基、エチル基又はｔ-ブチル基である請求項１記載の溶液原料。
【請求項３】
アミン系溶媒がｎ-メチル-２-ピロリドン、ジメチルアニリン、ジ-ｔ-ブチルアニリン、ジ-ｎ-ブチルアニリン、ジイソプロピルアニリン、トリ-ｔ-ブチルアニリン及びトリイソプロピルアニリンからなる群より選ばれた１種又は２種以上の化合物である請求項１記載の溶液原料。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の溶液原料を用いて有機金属化学蒸着法によりチタン含有薄膜を作製することを特徴とするチタン含有薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の配線に用いられる銅（Ｃｕ）薄膜を形成加工する際の下地バリアとしてのチタン含有薄膜を形成するための溶液原料に関する。更に詳しくは有機金属化学蒸着（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、以下、ＭＯＣＶＤという。）法によりチタン含有薄膜を形成するためのチタン錯体を含む溶液原料及び該原料を用いたチタン含有薄膜の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
銅及び銅系合金は、高い導電性、エレクトロマイグレーション耐性からＬＳＩの配線材料として応用されている。銅はシリコン酸化膜を通じて基板内に簡単に拡散しトランジスタ素子等の電気特性に悪影響を及ぼす問題があるため、銅により配線を行う際には、銅薄膜とシリコン酸化膜の間に下地バリアメタル薄膜を形成し、銅の拡散を防止している。下地バリアメタル薄膜としては、チタン金属やチタンシリサイドが低抵抗であり、良好なコンタクトを形成することができる材料としてよく知られている。このうちチタン金属薄膜の材料に用いられる化合物としては、四塩化チタンの水素還元法でチタン金属薄膜を作製する方法や有機チタン化合物を用いる方法が知られている。
【０００３】
四塩化チタンは極めて安定した構造を有する物質であり、通常３００℃以上の厳しい高温条件でなければ成膜することができないため、より低温での穏やかな成膜条件での還元法が望まれている。また、四塩化チタンは極めて加水分解性に富み、加水分解をしたものは酸化物に容易に変化する。この酸化物は洗浄除去が極めて困難である。また、四塩化チタンの分解には３００℃以上の高温条件が必要であるため、成膜装置内の温度が不均一となり、再現性が得られにくい問題があった。また、水素還元雰囲気下で成膜を行うと、チタン金属薄膜以外に副生成物として塩化水素が放出される。この塩化水素は成膜装置内部を腐食するため、耐腐食処理を施した高価な装置が必要となるため、成膜原料の変更が検討されている。更に、この形成したチタン金属薄膜の上に銅薄膜を施した場合、チタン金属薄膜と銅との密着性が悪く、極めて剥離し易い問題もあった。
【０００４】
一方、有機チタン化合物は、非常に不安定で取扱いが難しく、熱安定性や気化安定性に欠ける。また、有機チタン化合物は、分解温度以下では十分な蒸気圧が得られる原料が少ない。また、化合物としてチタン金属薄膜が得られるための化学的構造の検討が少なく、バリア膜として窒化物用の化合物が提案されているだけで、チタン金属薄膜をＣＶＤ法で成膜する技術が確立されていないのが現状であった。
【０００５】
このような上記諸問題を解決する方策として、(Ｃ8Ｈ8)(Ｃ5Ｈ5)Ｔｉ等の有機チタン化合物を含むガスと還元ガスとを用いてＣＶＤ法によりチタン系膜を成膜する方法が開示されている（特開平６−１４５９８７）。この技術では、低温で不純物の少ないチタン膜を比較的容易に、形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平６−１４５９８７号公報に示される方法でも、十分な機能を有するチタン金属薄膜が得られているとは言えなかった。
本発明の目的は、均一で安定した気化が行われ、高い成膜速度で高純度の所望のチタン含有薄膜が得られる有機金属化学蒸着用の溶液原料を提供することにある。
本発明の別の目的は、銅薄膜の下地として密着性に優れた高純度のチタン含有薄膜を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、次の式（１）で示されるチタン錯体をアミン系溶媒に溶解したことを特徴とする有機金属化学蒸着法用溶液原料である。
【０００８】
【化２】
0003894010.tif 000002
但し、Ｒは炭素数１〜４の直鎖又は分岐状アルキル基である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、請求項１記載の式（１）で示されるチタン錯体のＲがメチル基、エチル基又はｔ-ブチル基である溶液原料である。
請求項１又は２に係る発明では、有機溶媒にアミン系溶媒を用いたＭＯＣＶＤ用溶液原料を用いることにより、成膜時に均一で安定した原料供給ができ、更に、この溶液原料を用いてチタン含有薄膜を作製するとアミン系溶媒の高い還元性により、高い成膜速度で高純度の所望のチタン含有薄膜が得られる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、アミン系溶媒がｎ-メチル-２-ピロリドン、ジメチルアニリン、ジ-ｔ-ブチルアニリン、ジ-ｎ-ブチルアニリン、ジイソプロピルアニリン、トリ-ｔ-ブチルアニリン及びトリイソプロピルアニリンからなる群より選ばれた１種又は２種以上の化合物である溶液原料である。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか記載の溶液原料を用いて有機金属化学蒸着法によりチタン含有薄膜を作製することを特徴とするチタン含有薄膜の製造方法である。
請求項１ないし３いずれか記載の溶液原料を用いて作製されたチタン含有薄膜は、アミン系溶媒の高い還元性によりシリコン酸化膜及びこのチタン含有薄膜の上に形成される銅薄膜とそれぞれ堅牢に密着することができ、銅薄膜の下地として密着性に優れ、高純度である特長を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を説明する。
本発明の溶液原料は、上記式（１）で示されるチタン錯体をアミン系溶媒に溶解したことを特徴とするＭＯＣＶＤ法用溶液原料である。このチタン錯体とアミン系溶媒の配合比は任意であり、その使用用途や、アミン系溶媒の種類によって適宜調製することが好ましい。上記式（１）で示されるチタン錯体を高い還元性を有するアミン系溶媒に溶解した溶液原料を用いてＭＯＣＶＤ法により薄膜を形成することにより、アミン系溶媒の高い還元性によって、高い成膜速度で高純度の所望のチタン含有薄膜が得られる。本発明のアミン系溶媒は、ｎ-メチル-２-ピロリドン、ジメチルアニリン、ジ-ｔ-ブチルアニリン、ジ-ｎ-ブチルアニリン、ジイソプロピルアニリン、トリ-ｔ-ブチルアニリン及びトリイソプロピルアニリンからなる群より選ばれた１種又は２種以上の化合物が挙げられる。
【００１２】
チタン錯体は、前述した式（１）に示される構造を一般式とする。Ｒはメチル基、エチル基又はｔ-ブチル基が好ましい。具体的には、Ｒがメチル基の場合は、その構造式は（(Ｈ3Ｃ)2Ｔｉ(Ｃ5Ｈ5)2（以下、ＤＭＴｉＣｐ2という。）であり、Ｒがエチル基の場合は、その構造式は（(Ｈ5Ｃ2)2Ｔｉ(Ｃ5Ｈ5)2（以下、ＤＥＴｉＣｐ2という。）であり、Ｒがｔ-ブチル基の場合は、その構造式は（((Ｈ3Ｃ)3Ｃ)2Ｔｉ(Ｃ5Ｈ5)2（以下、ＤＢＴｉＣｐ2という。）である。
【００１３】
本実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法には、各溶液を加熱された気化器に供給し、ここで各溶液原料を瞬時に気化させ、成膜室に送る溶液気化ＣＶＤ法を用いる。
図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置は、成膜室１０と蒸気発生装置１１を備える。成膜室１０の内部にはヒータ１２が設けられ、ヒータ１２上には基板１３が保持される。この成膜室１０の内部は圧力センサー１４、コールドトラップ１５及びニードルバルブ１６を備える配管１７により真空引きされる。成膜室１０にはニードルバルブ３６、ガス流量調節装置３４を介してＨ2ガス導入管３７が接続される。蒸気発生装置１１は原料容器１８を備え、この原料容器１８は溶液原料を貯蔵する。原料容器１８にはガス流量調節装置１９を介してキャリアガス導入管２１が接続され、また原料容器１８には供給管２２が接続される。供給管２２にはニードルバルブ２３及び溶液流量調節装置２４が設けられ、供給管２２は気化器２６に接続される。気化器２６にはニードルバルブ３１、ガス流量調節装置２８を介してキャリアガス導入管２９が接続される。気化器２６は更に配管２７により成膜室１０に接続される。また気化器２６には、ガスドレイン３２及びドレイン３３がそれぞれ接続される。
この装置では、Ｎ2、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスからなるキャリアガスがキャリアガス導入管２１から原料容器１８内に導入され、原料容器１８に貯蔵されている溶液原料を供給管２２により気化器２６に搬送する。気化器２６で気化されて蒸気となったチタン錯体は、更にキャリアガス導入管２８から気化器２６へ導入されたキャリアガスにより配管２７を経て成膜室１０内に供給される。成膜室１０内において、チタン錯体の蒸気を熱分解させ、高い還元性を有するアミン系溶媒及びＨ2ガス導入管３７より成膜室１０内に導入されるＨ2ガスによって還元されることにより、生成したチタン金属を加熱された基板１３上に堆積させてチタン金属薄膜を形成する。
【００１４】
本発明の溶液原料を用いて作製されたチタン金属薄膜は、銅薄膜の下地として密着性に優れ、高純度である特長を有する。このチタン金属薄膜は、例えばシリコン基板表面のＳｉＯ2膜上にＭＯＣＶＤ法により形成され、このチタン金属薄膜の上に銅薄膜がＭＯＣＶＤ法により形成される。なお、本発明の基板はその種類を特に限定されるものではない。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
チタン錯体としてＤＭＴｉＣｐ2錯体を用意し、このＤＭＴｉＣｐ2の濃度がそれぞれ０．０１モル濃度となるように有機溶媒であるｎ-メチル-２-ピロリドンに溶解してＭＯＣＶＤ法用溶液原料を調製した。
＜実施例２＞
有機溶媒をジメチルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例３＞
有機溶媒をジ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００１６】
＜実施例４＞
有機溶媒をジ-ｎ-ブチルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例５＞
有機溶媒をジイソプロピルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例６＞
有機溶媒をトリ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例７＞
有機溶媒をトリイソプロピルアニリンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００１７】
＜実施例８＞
チタン錯体をＤＥＴｉＣｐ2錯体にした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例９＞
有機溶媒をジメチルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１０＞
有機溶媒をジ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００１８】
＜実施例１１＞
有機溶媒をジ-ｎ-ブチルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１２＞
有機溶媒をジイソプロピルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１３＞
有機溶媒をトリ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１４＞
有機溶媒をトリイソプロピルアニリンにした以外は実施例８と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００１９】
＜実施例１５＞
チタン錯体をＤＢＴｉＣｐ2錯体にした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１６＞
有機溶媒をジメチルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１７＞
有機溶媒をジ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００２０】
＜実施例１８＞
有機溶媒をジ-ｎ-ブチルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例１９＞
有機溶媒をジイソプロピルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例２０＞
有機溶媒をトリ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜実施例２１＞
有機溶媒をトリイソプロピルアニリンにした以外は実施例１５と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００２１】
＜比較例１＞
チタン錯体をＴｉＣｌ4錯体にし、有機溶媒をｎ-ヘキサンにした以外は実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例２＞
有機溶媒をオクタンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例３＞
有機溶媒をｎ-メチル-２-ピロリドンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例４＞
有機溶媒をジメチルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例５＞
有機溶媒をジ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００２２】
＜比較例６＞
有機溶媒をジ-ｎ-ブチルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例７＞
有機溶媒をジイソプロピルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例８＞
有機溶媒をトリ-ｔ-ブチルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
＜比較例９＞
有機溶媒をトリイソプロピルアニリンにした以外は比較例１と同様にしてＭＯＣＶＤ用溶液原料を調製した。
【００２３】
＜比較試験＞
実施例１〜２１及び比較例１〜９で得られた溶液原料をそれぞれ５種類用意した。基板として、基板表面にＳｉＯ2膜（厚さ５０００Å）が熱酸化により形成されたシリコン基板を用意した。
用意した基板を図１に示すＭＯＣＶＤ装置の成膜室に設置し、基板温度を１８０℃とした。気化温度を７０℃、圧力を５Ｔｏｒｒ即ち約６６５Ｐａにそれぞれ設定した。キャリアガスとしてＡｒガスを用い、その流量を１００ｃｃｍとした。また反応ガスとしてＨ2ガスを用い、その流量を５００ｃｃｍとした。溶液原料を０．０１ｃｃ／分の割合で供給し、１、５、１０、２０及び３０分となったときにそれぞれ１種類ごとに成膜室より取り出し、基板上に成膜されたチタン含有薄膜であるチタン金属薄膜について以下に示す試験を行った。
【００２４】
▲１▼ 膜厚測定
成膜を終えた基板上のチタン金属薄膜を断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像から膜厚を測定した。
▲２▼ 剥離試験
各成膜時間で取り出したチタン金属薄膜の上に厚さ５０ｎｍの銅薄膜をスパッタリング法により成膜し、この銅薄膜を形成した基板に対して剥離試験（ＪＩＳＫ ５６００−５−６）を行った。具体的には、先ず、基板上の銅薄膜にこの膜を貫通するように縦横それぞれ６本づつ等間隔に切込みを入れて格子パターンを基板に形成した。次に、形成した格子パターンの双方の対角線に沿って柔らかいはけを用いて前後にブラッシングした。
▲３▼ 熱安定性評価試験
図２に示す試験装置を用いて以下の試験を行った。この図２に示す装置は、図１に示すＭＯＣＶＤ装置の成膜室を取り除いた構成を有する。
先ず、室温で７０℃に加熱した気化器２６まで溶液原料を搬送し、５Ｔｏｒｒの減圧下で７０℃に加熱して溶液原料を気化させ、その後に気化器２６下段のポンプ側に設けられたコールドトラップ１５にて気化後の化合物を捕獲した。装置内に投入した原料に対する捕獲量からトラップ回収率を算出した。また、圧力センサーにより気化器内部における圧力上昇を測定した。例えば、表中の数値が６０％閉塞ならば、５Ｔｏｒｒの１．６０倍の圧力が気化器内で生じていることを表す。
実施例１〜８を表１に、実施例９〜１６を表２に、実施例１７〜２１及び比較例１〜３を表３に、比較例４〜９を表４にそれぞれ得られた試験結果を示す。
【００２５】
【表１】
0003894010.tif 000003
【００２６】
【表２】
0003894010.tif 000004
【００２７】
【表３】
0003894010.tif 000005
【００２８】
【表４】
0003894010.tif 000006
【００２９】
表１〜表４より明らかなように、比較例１〜９の溶液原料を用いて成膜されたチタン含有薄膜は成膜時間当たりの膜厚にばらつきがあり、成膜再現性が悪いことが判る。また成膜速度も非常に遅い。また密着性評価試験では、殆どのサンプルにおいて基板表面から銅薄膜が剥離してしまっていた。熱安定性評価試験では、トラップ回収率が低く、大部分が装置内部に付着してしまったと考えられる。また気化器内部の圧力上昇値も成膜時間が長くなるにつれて上昇しており、分解物が気化器内部や配管内部に付着して圧力上昇したと考えられる。これに対して実施例１〜２１の溶液原料を用いて作製されたチタン含有薄膜は、成膜時間が進むに従って膜厚も厚くなっており、成膜安定性が高いことが判る。密着性評価試験では、銅薄膜が剥離する割合が低く、非常に密着性が高いことが判る。熱安定性評価試験では、高いトラップ回収率を示し、気化器内部の圧力上昇値も１％程度と殆ど閉塞するおそれがない。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、上記式（１）に示すチタン錯体をアミン系溶媒に溶解した本発明のＭＯＣＶＤ用溶液原料は、銅薄膜の下地として密着性に優れ、高純度である特長を有する。本発明の溶液原料を用いてＳｉＯ2膜上にチタン含有薄膜を気相成長させる際、高い成膜速度で安定な成膜が可能となる。得られたチタン含有薄膜上へ銅薄膜を作製する際に、成膜法を問わず、密着性に優れた銅薄膜が作製可能となる。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＯＣＶＤ装置の概略図。
【図２】本発明の実施例に使用される装置を示す概略図。
【図１】
0003894010.tif 000008
【図２】
0003894010.tif 000009