JPH05136087A - 膜成長方法と膜成長装置 - Google Patents

膜成長方法と膜成長装置

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JPH05136087A
JPH05136087A JP3299246A JP29924691A JPH05136087A JP H05136087 A JPH05136087 A JP H05136087A JP 3299246 A JP3299246 A JP 3299246A JP 29924691 A JP29924691 A JP 29924691A JP H05136087 A JPH05136087 A JP H05136087A
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layer
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adsorption
gas
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置の製造プロセスに適した半導体も
しくは金属の膜成長方法に関し、均一で平坦な膜を成長
することが可能な膜成長方法を提供することを目的とす
る。 【構成】 下地表面上に金属または半導体の化合物の吸
着層を形成する工程と、前記吸着層を分解反応させ、金
属または半導体の析出層を形成する工程と、前記析出層
上に金属または半導体の成長膜を形成する工程とを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体もしくは金属の膜
成長に関し、特に半導体装置の製造プロセスに適した半
導体もしくは金属の膜成長方法および膜成長装置に関す
る。
【0002】高集積度半導体装置等の微細デバイスにお
いては、高信頼性、高速動作特性が要求されており、所
望の特性を有する均一かつ平坦な膜、接触抵抗の小さい
膜、良好な特性の埋め込み膜等が望まれる。
【0003】
【従来の技術】膜の成長方法としては、蒸着、スパッタ
リング、化学気相堆積(CVD)、液相成長、分子線成
長等が知られている。
【0004】下地上に、均一かつ平坦な膜を形成するた
めには下地表面を清浄化することが必要である他、成膜
温度、CVD等においては圧力等の条件を制御すること
が必要である。以下、CVDを例にとって説明する。
【0005】CVDによって、選択成長やブランケット
成長等を行なうことができる。これらCVD成長におい
ては、ウエットまたはドライの前処理によって下地表面
を清浄化し、CVD工程における成膜温度、圧力等の成
長因子を好適に設定することが必要である。
【0006】しかしながら、均一な膜厚のCVD膜を成
長しようとしても膜厚分布が発生したり、平坦な表面を
得ようとしても表面に凹凸が発生することが防止しにく
かった。また、不必要な前処理を行なうことによって、
酸化膜等で画定された開口サイズを大きくしてしまった
り、下地である半導体基板にダメージを与えてしまうこ
とが防止しにくかった。
【0007】たとえば、プラズマによって表面を清浄化
しようとすると、プラズマ中に発生する高エネルギ粒子
が下地表面に衝突し、ダメージを与えることが避けにく
かった。
【0008】半導体デバイスが微細化すると、形成する
膜の不均一性や性質の低下が作成しようとする微細デバ
イスに深刻な影響を与え、デバイス製造の歩留りの低
下、設計性能が実現できないこと等につながった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の膜成長技術によれば、均一で平坦な膜を成長する
ことが困難であった。
【0010】本発明の目的は、均一で平坦な膜を成長す
ることが可能な膜成長方法を提供することである。本発
明の他の目的は、コンタクト抵抗が低く、均一で平坦な
膜を成長することのできる膜成長方法を提供することで
ある。
【0011】また、本発明の他の目的は、均一で平坦な
膜を成長することの容易な膜成長装置を提供することで
ある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の膜成長方法は、
下地表面上に金属または半導体の化合物の吸着層を形成
する工程と、前記吸着層を分解反応させ、金属または半
導体の析出層を形成する工程と、前記析出層上に金属ま
たは半導体の成長膜を形成する工程とを含む。
【0013】図1は、本発明の原理説明図である。図1
(A)は吸着工程を示す。下地1表面上に金属または半
導体の化合物の吸着層2を形成する。吸着層2は吸着し
た分子から構成されており、物理吸着あるいは化学吸着
の状態にある。
【0014】化学吸着の場合は、化学反応速度論に従う
反応で析出する場合もあるが、ここでは時間幅1H〜2
H以内に、高々1吸着分子が反応した場合も、化学吸着
あるいは遷移状態と考える。吸着層2は好ましくは単分
子層から数十分子層の厚さを有する。
【0015】図1(B)は、分解反応の工程を示す。下
地1表面上に形成された吸着層2を励起することによっ
て分解反応を生じさせ、吸着層2に含まれる成分の析出
層3を形成する。この分解反応は、たとえば加熱工程や
光照射工程によって実施することができる。
【0016】このように下地1表面上に析出層3が形成
された後、その上に図1(C)に示すように目的とする
材料の成長膜5を成長する。成長膜5の形成は、たとえ
ばCVDによって行なうことができる。
【0017】
【作用】下地表面上に一旦吸着層を形成し、この吸着層
を分解反応させ、析出層を形成し、その上に金属または
半導体の成長膜を形成すると、均一でかつ表面の平坦な
成長膜を得ることができる。
【0018】膜成長においては、膜形成分子が下地表面
上に付着し、これらの分子が成長核を形成すると、この
成長核から膜成長が生じる。ところで、成長核を均一に
表面上に形成することは容易でなく、成長核に分布が生
じると、その分布に応じて成長の偏りが生じ、形成され
る膜の厚さに分布が発生し、表面に凹凸が発生してしま
うと考えられる。
【0019】吸着は膜成長よりもゆるやかな条件で行な
うことができる。たとえば、CVD成長の生じない低温
で下地表面上にガスを供給すると、下地表面上にガス分
子が吸着し、吸着層を形成する。下地表面上を吸着層で
覆うことは比較的容易に行なうことができる。
【0020】このように下地表面を吸着層で覆い、この
吸着層を分解反応させることにより、化合物の成分中の
所定成分のみを下地表面上に残して析出層3を形成する
ことができる。
【0021】このようにして形成した析出層は、下地表
面上に均一に分布させることが容易である。析出層に厚
さの分布があっても、析出層の厚さが小さなものであれ
ば、結果に与える影響は少ない。この析出層をそのまま
膜成長の下地表面として用いると、均一に分布した良好
な成長核として機能させることができると考えられる。
このため、析出層上に形成する成長膜は、均一な膜厚を
有し、平坦な表面を有するようにすることができる。
【0022】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図2、図3、図4は、それぞれ本発明の実施例に
よる膜成長方法を説明するための断面図であり、図7は
これらの成長方法を実施するのに適した膜成長装置を示
す概略断面図である。
【0023】図2は、Si層上に選択的にW層を成長す
る実施例を示す。図2(A)に示すように、Si層11
の上に酸化Si膜12を形成し、酸化Si膜12に開口
16を形成してSi層11表面を露出する。
【0024】このようにして形成した下地構造を、0.
1〜2%のHF溶液に30〜60秒間浸漬し、純水洗浄
にて表面の清浄化(Siの露出およびH終端表面の形
成)を行なった後、乾燥させる。
【0025】なお、この前処理は、ウエット処理に代え
てドライ処理を採用することもできる。たとえば、H2
またはN2 x 等の水素化物による還元反応を用いて下
地表面を清浄化することができる。
【0026】このようにして準備した下地構造を10-7
〜10-8Torrの雰囲気に保持し、80〜240℃に
加熱する。加熱時間はその雰囲気にて、102 L以下と
なるようにするのが望ましい。
【0027】加熱した下地表面上に、WF6 ガスを10
4 〜105 L(Lはラングミューアであり、1L=10
-6Torr・secである)程度供給する。たとえば、
WF 6 ガスが10-3Torrで10〜100秒間、また
は10-2Torrで約1〜10秒間供給される。104
Lのガス量は、下地表面上に単分子層を形成するのに相
当する量である。
【0028】このような吸着により、図2(A)に示す
ように露出されたSi層11表面上に選択的にWF6
着層13が形成される。なお、周囲の酸化Si膜12上
には吸着層は形成されない。
【0029】次に、図2(B)に示すように、吸着ガス
の供給を断った状態で下地温度を約240〜500℃に
昇温し、WF6 吸着層13の熱分解反応を生じさせる。
WF 6 は熱分解し、タングステン(W)が下地Si層1
1表面上に析出し、W層14を形成する。
【0030】なお、連続したW層14が形成された状態
を図示したが、このW層は微視的に連続している必要は
必ずしもない。Si層11表面上にほぼ均等に分布して
いればよい。
【0031】このようにW層14を形成した下地構造
を、大気にさらすことなくCVD装置内に搬入する。図
2(C)に示すように、CVD装置内において、下地構
造を約280℃に加熱し、WF6 ガスとSiH4 ガスを
約6:3の比で供給し、W層14上にCVDによるW層
であるCVDW層15を堆積する。このCVDにおいて
は、先に形成したW層14が成長核として機能し、均一
な膜成長が生じる。
【0032】上述のように、吸着層を形成し、その後大
気にさらすことなくCVD成長を行なう膜成長は、たと
えば図7に示すような膜成長装置を用いて行なうことが
できる。
【0033】図7において、吸着室31は吸着ガス導入
口32と排気口33を有し、10-7Torr以下の高真
空に保つことができる。また、吸着室31はヒータ34
を備え、吸着室内にロードした複数の基板30を約10
0〜200℃に加熱することができる。
【0034】この吸着室31で下地表面上にガス吸着を
行なわせ、1枚ずつ中間室35を介してCVD反応室3
6に搬入し、ヒータ37で加熱することによって吸着ガ
スの分解反応を生じさせることができる。吸着ガスを分
解反応させた後、ヒータ37で所定温度に加熱しつつ、
ガス供給系38から原料ガスを供給し、CVD成長を行
なうことによって膜成長を行なうことができる。
【0035】なお、図7の装置においては、吸着室31
はバッチ式であり、CVD反応室36は枚葉式である構
造を示したが、必ずしもこの形式にこだわらない。たと
えば、吸着室も枚葉式にしてもよく、CVD反応室もバ
ッチ式にすることもできる。なお、中間室35に加熱機
構を設け、中間室35において吸着ガスの分解反応を行
なわせることもできる。吸着室31内で分解反応を行な
うことも可能である。
【0036】図7に示すような膜成長装置を用い、図2
に示すような膜成長方法を実施することによって高濃度
不純物添加領域等のSi層11上に、コンタクト抵抗の
低いCVDW層15を成長することができる。
【0037】なお、このようにして成長したCVDW層
15は、その厚さが均一であり、表面が平坦にできるこ
とが実験的に確認された。なお、Si層11上にW層1
4、15を成長する場合を説明したが、下地および成長
膜の材料はこれらに限らない。
【0038】図3は、Si上にSiと反応する金属であ
るAl、Cu、Ti等の金属層を成長する実施例を示
す。図3(A)に示すように、Si層11上に酸化Si
膜12を形成し、この酸化Si膜12に開口16を形成
してSi層11表面を露出する。このように準備した下
地構造を、図2の実施例同様の前処理によって清浄化す
る。続いて、露出したSi層11表面に吸着層17を形
成する。
【0039】たとえば、吸着層17としてTi(N(C
3 24 =DMATおよびTiCl4 ガスの吸着層
を形成する時は、下地温度を前者は室温〜200℃程度
に、後者は300〜600℃に加熱し、DMATおよび
TiCl4 ガスを103 〜105 L供給し、吸着層17
を形成する。吸着層17としてWF6ガスの吸着層を形
成する場合は、図2の実施例同様の工程によって吸着層
17を形成する。
【0040】なお、DMAT、TiCl4 は常温常圧で
は液体であり、その蒸気圧は低い。これに対し、WF6
は約17℃の沸点を有する物質であり、常温で気体であ
るため取扱が容易な特徴を有する。
【0041】次に、図3(B)に示すように、吸着層1
7を形成した下地構造を反応室に搬入し、昇温すること
によってTiあるいはTiNまたはWを析出させ、コン
タクト層およびバリヤ層18を形成する。
【0042】吸着層17がWF6 の場合は、図2の実施
例同様、WF6 を熱分解することによってWの析出層を
形成する。吸着層17がTiCl4 分子の吸着層である
場合、熱分解によってTiが析出すると、TiはSi層
11と反応し、TiSi2 を形成する。このシリサイド
反応により、Si層11は浸食され、図中破線18aで
示すように、コンタクト層がSi層11に食い込んだ形
状となる。
【0043】熱分解の促進に、水素または水素化物を加
えるのが望ましい。NH3 やN2 4 等の水素化物を加
えると、バリヤ層としてTiN、コンタクト層としてT
iSi2 の膜が形成できる。SiH4 を加えると、Ti
Si2 膜の形成ができ、Si層11の浸食量は低下す
る。DMATガスは熱分解により、TiN膜が成膜す
る。
【0044】なお、このようにして形成したコンタクト
層18は、Si層11とコンタクト層18の上に形成す
る金属層との反応を防止する役割を果たす。次に、図3
(C)に示すように、コンタクト層18上にCVDによ
って金属層19を選択的に成長する。金属層19は、た
とえばAl、Cu、Ti等の金属である。
【0045】金属層19がAl層の場合は、CVDのソ
ースガスとしてはTIBA(トリイソブチルアルミニウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、DMAH
(ジメチルアルミニウムハイドライト)を用い、水素ガ
スまたは水素化物ガスを添加して成膜温度約150〜4
00℃、ガス圧10-4〜1TorrでCVD成長を行な
う。
【0046】金属層19がCu層の場合は、ソースガス
としてCu(HFA)2 (銅ヘキサフロロアセチルアセ
トネート)を用いることができる。このようにして、S
i層11上にコンタクト層18を挟んで金属層19を成
長する。このようにして成長した金属層19は、均一な
厚さを有し、平坦な表面を有する。
【0047】なお、図3(B)に示す吸着層の分解反応
工程において、水素化物を用いて分解反応を促進させる
こともできる。たとえば、SiH4 を103 〜105
供給し、下地温度を約200℃とする。水素化物の存在
によって、分解反応が促進される。
【0048】また、シリコン水素化物を加え、さらに温
度を調整することによってシリサイド膜を積極的に形成
することもできる。たとえば、下地温度を400℃程度
に昇温し、SiH4 を103 〜105 L供給する。供給
するSiH4 の量は、吸着層17がシリサイド膜となる
が、純粋なSi膜は成長しないような量に選ぶ。
【0049】以上、酸化Si膜に形成した開口内に選択
的に膜を成長させる場合を説明したが、酸化Si膜上に
も延在するブランケット膜を成長させることもできる。
図4は、本発明の他の実施例による膜成長方法を示す。
【0050】図4(A)に示すように、前述の実施例同
様の工程により、下地Si層11の露出表面上にコンタ
クト層18を形成する。コンタクト層18の材料として
は、WやTi等を用いると、Si層11との低コンタク
ト抵抗が実現しやすい。コンタクト層18をTiで形成
した場合、Tiはシリサイド化してTiSi2 となる。
【0051】次に、図4(B)に示すように、下地温度
を約700℃に昇温し、TiCl4 ガスとNH3 ガスを
供給し、CVDを行なわせることによってTiNマット
層20を形成する。このTiNマット層20は、コンタ
クト層18上のみでなく、酸化Si層12表面上にも形
成される。また、B2 6 ガスを供給すれば、TiB膜
が形成できる。
【0052】次に、図4(C)に示すように、TiNマ
ット層20上にCVDにより、電極層21を形成する。
電極層21は、たとえばW、Al、Cu、Au等の伝導
性の高い金属で形成する。
【0053】なお、Si層11上に金属の電極層21を
成長させる場合を説明したが、下地材料、成長膜材料は
これらに限らない。たとえば、下地Si上にSiの膜成
長を行なう場合は、まずSi2 6 を約104 L供給し
て吸着層を形成し、その後約800℃に昇温することに
よって吸着層を熱分解反応させてSiの成長核を形成
し、引き続いてSiのCVD成長を行なうことによって
Siの膜成長を行なうことができる。なお、SiのCV
D成長においては、SiH4 、Si2 6 、SiCl2
2 SiHCl3 、SiH2 2 等を用いることができ
る。
【0054】なお、これらの膜成長方法も、図7に示す
ような膜成長装置を用いて実施することができる。図5
は、このような方法により、下地表面上に吸着層を形成
し、吸着層を反応させることによって析出層を形成し、
その上に膜成長を行なった場合の膜の性質を説明する図
である。
【0055】図5(A)は上述の実施例同様の手順にし
たがって膜成長を行なった構造を示す。絶縁層26で覆
われた半導体層25上に、多結晶Si層27のパターン
を形成し、このパターン上に膜成長を行なう。
【0056】多結晶Si層27表面上に吸着層を形成
し、反応させることによって析出層28に変化させる。
この析出層28上に成長膜29を形成すると、成長膜2
9は均一な厚さで成長することができる。このようにし
て成長した成長膜29の表面を観察すると、平坦である
ことが確認された。
【0057】一方、従来の技術により、絶縁層26で覆
われた半導体層25上に多結晶Si層27のパターンを
形成し、その表面上に直接成長膜を形成すると、図5
(B)の成長膜29aに示すように、その表面には凹凸
が発生した。
【0058】このように凹凸が発生する原因は、多結晶
Si層27表面は、大気にさらされること等によって様
々に変化しており、その表面上にCVD成長を行なった
場合、成長核の発生速度が場所によって異なると考えら
れる。
【0059】成長核が早期に発生した領域においては、
直ちに結晶成長が進み、成長膜29aが厚くなる。成長
核がなかなか発生しなかった領域においては膜成長が遅
れ、成長膜29aの厚さが薄くなる。このように成長に
ばらつきが生じるため、成長膜29aの膜厚が一定とな
らず、かつ表面に凹凸が発生してしまうものと考えられ
る。
【0060】図6は、吸着層の性質を検討するために行
なった実験結果を示す。比抵抗10〜20μΩ・cm
(シート抵抗Rs=240〜280Ω/□)の(10
0)面を有するSi基板を182℃に保ち、その上にW
6 ガスを10sccmの流量で所定時間供給した。こ
の状態でシート抵抗を測定した。その後約407℃で3
0分間の熱処理を行なって再びシート抵抗を測定した。
【0061】図6において、横軸は供給したWF6 ガス
の供給量をラングミュア(L)で示し、縦軸はシート抵
抗をΩ/□で示す。図中○は、WF6 ガスを吸着させた
状態で熱処理前のシート抵抗を測定した結果を示し、□
は、さらに熱処理を行なった後に測定したシート抵抗を
示す。
【0062】図から明らかなように、WF6 ガス供給後
のシート抵抗よりも、熱処理後のシート抵抗が明らかに
低減していることがわかる。したがって、WF6 ガス供
給によって吸着層が形成され、熱処理によって吸着層が
分解し、W層に変化したことがわかる。また、このよう
な膜成長方法によって低コンタクト抵抗が実現できるこ
ともわかる。
【0063】なお、吸着層を分解反応させる方法とし
て、加熱を用いる場合を説明したが、吸着分子を分解さ
せる励起手段であれば、他の手段を用いることもでき
る。たとえば、十分なフォトンエネルギを有する光を照
射することによって吸着分子を分解させることもでき
る。
【0064】また、膜成長装置として吸着室、中間室、
CVD反応室が接続された構成を示したが、下地上に吸
着層を形成し、大気に晒すことなく、分解反応を行なわ
せ、続いて膜成長を行なえる構成であれば、他の構成を
用いることもできる。
【0065】下地材料、成長膜材料は半導体または金属
であればよい。吸着層を形成するための吸着ガスは、加
熱等によって容易に分解できるものが好ましい。たとえ
ば、III族、IV族、V族の水素化物あるいはハロゲ
ン原子を少なくとも1個有する化合物、W、Ti、C
u、Zr、Mo、Re、Cr、Au、Taのハロゲン化
物、有機化物、錯体等を用いることができる。
【0066】また、成長膜はたとえばIII族、IV
族、V族元素およびこれらの混合物、およびこれらの化
合物、W、Ti、Cu、Zr、Mo、Re、Cr、A
u、Taの金属およびこれらの金属のSi、B、Pの化
合物等を用いることができる。また、成長膜の成長方法
もCVDに限らない。
【0067】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【0068】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
厚さが均一でかつ表面が平坦な成長膜を得ることができ
る。
【0069】成膜特性、電気的特性に優れ、大量生産が
可能な成長膜が得られるため、微細化した半導体装置の
製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理説明図である。
【図2】 本発明の実施例による膜成長方法を説明する
ための断面図である。
【図3】 本発明の実施例による膜成長方法を説明する
ための断面図である。
【図4】 本発明の実施例による膜成長方法を説明する
ための断面図である。
【図5】 本発明の実施例により成長した成長した成長
膜のモホロジを、参考例により成長した成長膜のモホロ
ジと比較して示す概略断面図である。
【図6】 吸着膜を形成したSi基板のシート抵抗と、
その後熱処理を行なった後のシート抵抗を比較して示す
グラフである。
【図7】 本発明の実施例による膜成長装置を示す概略
断面図である。
【符号の説明】
1 下地 2 吸着層 3 析出層 5 成長膜 11 Si層 12 酸化Si膜 13 WF6 吸着層 14 W層 15 CVDW層 16 開口 17 吸着層 18 コンタクト層 19 金属層 20 TiNマット層 21 電極層 31 吸着室 32 吸着ガス導入口 33 排気口 34 ヒータ 35 中間室 36 CVD反応室 37 ヒータ 38 ガス供給系

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下地(1)表面上に金属または半導体の
    化合物の吸着層(2)を形成する工程と、 前記吸着層を分解反応させ、金属または半導体の析出層
    (3)を形成する工程と、 前記析出層(3)上に金属または半導体の成長膜(5)
    を形成する工程とを含む膜成長方法。
  2. 【請求項2】 前記吸着層(2)は前記化合物のガスを
    102 〜106 L量供給することによって形成する請求
    項1記載の膜成長方法。
  3. 【請求項3】 前記成長膜(5)を形成する工程はCV
    Dを含み、前記吸着層(2)を形成する工程は、前記成
    長膜(5)を形成する工程よりも低い温度で行なわれる
    請求項1ないし2記載の膜成長方法。
  4. 【請求項4】 前記成長膜(5)はIII族元素、IV
    族元素、V族元素、これらの混合物、これらの化合物、
    W、Ti、Cu、Zr、Mo、Re、Cr、Au、Ta
    の金属およびこれら金属のSi、B、Pの化合物のいず
    れかを含んで形成される請求項1〜3のいずれかに記載
    の膜成長方法。
  5. 【請求項5】 前記化合物の吸着層(2)を形成する工
    程は、III族元素、IV族元素、V族元素のいずれか
    の水素化合物、あるいはハロゲン原子を少なくとも1個
    含む化合物、またはW、Ti、Cu、Zr、Mo、R
    e、Cr、Au、Taの金属のいずれかのハロゲン化
    物、有機化合物、錯体のいずれかのガス分子を下地
    (1)表面上に吸着させることを含む請求項1〜4のい
    ずれかに記載の膜成長方法。
  6. 【請求項6】 前記析出層(3)を形成する工程は、加
    熱、光照射のいずれかを含む請求項1〜5のいずれかに
    記載の膜成長方法。
  7. 【請求項7】 吸着ガス源より吸着ガスの供給を受ける
    ガス導入口と、排気装置に接続される排気口と、加熱機
    構を有する吸着室と、 前記吸着室に接続され、CVDを行なうことのできる成
    長室とを有する膜成長装置。
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