JP2000119096A - シリコン上にアルカリ土類金属シリサイドを形成する方法 - Google Patents

シリコン上にアルカリ土類金属シリサイドを形成する方法

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JP2000119096A JP11232079A JP23207999A JP2000119096A JP 2000119096 A JP2000119096 A JP 2000119096A JP 11232079 A JP11232079 A JP 11232079A JP 23207999 A JP23207999 A JP 23207999A JP 2000119096 A JP2000119096 A JP 2000119096A
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チイ・ユ
Jun Wang
ジュン・ワン
Ravindranath Droopad
ラビドラナス・ドローパッド
Daniel S Marshall
ダニエル・エス・マーシャル
Jerald A Hallmark
ジェラルド・エー・ホールマーク
Jonathan Abrokwah
ジョナサン・アブロクワ
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 低温で実行可能な分子線エピタキシ技術によ
りシリコン基板上にアルカリ土類金属シリサイド層を形
成すること。 【解決手段】 シリコン基板上にシリサイド薄膜を形成
する本方法は、基板表面１３を500℃ないし750℃の温度
で加熱し、この表面にシリコン原子ビーム１８およびア
ルカリ土類金属原子ビーム２０を照射する。この工程は
10-9Torr以下の圧力に減圧された分子線エピタキシ容器
１０内で行われる。シリコンとアルカリ土類金属の流束
比は一定に維持され(例えばSi/Baの流束比が2:1)、基板
表面上にアルカリ土類金属のシリサイド薄膜(例えばBaS
i2)が形成される。RHEEDにより単結晶シリサイド層の表
面を監視し、シリサイド層がサブ単一層ないし1単一層
に選択されているときには原子ビームの照射を停止させ
ることにより、シリサイド薄膜の厚さが決定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、後続の製造工程に
備えて、シリコン基板上に上にアルカリ土類金属シリサ
イドを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】不揮発性および高密度メモリ用の強誘電
体または誘電率の高い酸化物のような様々なデバイス用
途において、シリコン上に単結晶薄膜のエピタキシャル
成長を行うため、規則的で安定なシリコン表面は極めて
重要である。シリコン上に規則的な転移層(ordered tra
nsition)を形成することが重要であり、特に灰チタン石
(perovskites)のような単結晶酸化物を成長させる場合
に重要になる。Si(100)上のBaOおよびBaTiO3のようなこ
の種の酸化物成長に関するいくつかの成功事例は、850
℃以上の温度で反応性エピタキシ(reactive epitaxy)を
利用し、Si(100)上にBaの1/4単一層を堆積させることに
よるBa Si2 (キュービック)テンプレートに基づくもの
であった。これらの技術に関しては、次の文献がある。
R. McKee, etal., Appl. Phys. Lett. 59(7), pp, 782-
784, (12 August 1991); R. McKee,et al., Appl. Phy
s. Lett. 63(20), pp, 2818-2820, (15 November 199
3); R.McKee et al, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vo
l. 21, pp. 131-135, (1991); U.S. Patent No. 5,225,
01, issued July 6, 1993, entitled "Process for Dep
ositing an Oxide Epitaxially onto a Silicon Substr
ate and Structures Prepared with the Process"; U.
S. Patent No. 5,482,003, issued January 9, 1996, e
ntitled "Process for Depositing Epitaxial Alkaline
Earth Oxide ontoa Substrate and Structures Prepar
ed with the Process".分視線エピタキシの準備表面お
よびテンプレート形成(例えばBa Si2)のための高温条件
により、上述したプロセスは高温プロセスとなる。しか
しながらこのような高温プロセスは、プロセスを実行す
る際により一層高温の熱的な余裕を必要とし、また、構
造内での拡散を進行させ、しばしばデバイスの信頼性を
害してしまうという問題が懸念される。
【０００３】したがって、低温プロセスで容易に実行す
ることが可能であり、薄膜エピタキシのための規則的な
ウエファ表面を提供する分視線エピタキシが望まれてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、シリコン基
板上に結晶性アルカリ土類金属シリサイドを準備する新
規な改善された方法を提供することを目的とする。
【０００５】本発明は、低温で実行可能な分視線エピタ
キシを利用して、シリコン基板上に結晶性アルカリ土類
金属シリサイドを準備する新規な改善された方法を提供
することを目的とする。
【０００６】本発明は、プロセスを実行する際にほとん
ど監視する必要のない方法により、シリコン基板上に結
晶性アルカリ土類金属シリサイドを準備する新規な改善
された方法を提供することを目的とする。
【０００７】本発明は、規則的なウエファ表面を提供
し、シリコン基板上に結晶性アルカリ土類金属シリサイ
ドを準備する新規な改善された方法を提供することを目
的とする。
【０００８】本発明は、後続のプロセスを複雑にするこ
となく、シリコン基板上に結晶性アルカリ土類金属シリ
サイドを準備する新規な改善された方法を提供すること
を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述した目的は、シリコ
ン基板上に結晶性アルカリ土類金属シリサイドを形成す
る方法により達成され、この方法は、選択された表面を
有するシリコン基板と、シリコンおよびアルカリ土類金
属のビーム源を準備する工程を含む。シリコン基板の表
面は洗浄されており、この場合において水素停止化を行
うことも可能である。シリコン基板の表面は約750℃以
下の温度で加熱され(上記の水素停止化が行われている
場合は、その被膜を除去することができる程度に充分長
い期間行われる)、シリコンの原子ビームおよびアルカ
リ土類金属の原子ビームが分子線エピタキシ容器内の加
熱されたシリコン基板表面に向かって照射され、この表
面上にアルカリ土類金属シリサイドの薄膜が形成され
る。薄膜の厚さはサブ単一層ないし単一層の程度であ
る。製品の用途に依存して、アルカリ土類金属酸化物を
付加的に所望の厚さだけ容易に形成することが可能であ
り、また、不揮発性および高密度メモリ・デバイス用途
の単結晶強誘電体または高誘電率の酸化物を付加的に所
望の厚さだけ形成することも容易に可能である。
【００１０】特定の用途にあっては、使用されるアルカ
リ土類金属は単一または複数のアルカリ土類金属を含
み、シリコンとアルカリ土類金属の流束比は一定の比率
に維持される。
【００１１】
【発明の実施の形態】エピタキシャル転移層(transitio
n layer)は、シリコン基板上における、アルカリ土類金
属酸化物、単結晶強誘電体または高誘電率酸化物の付加
的な厚さ分の以後の単結晶成長に対して重要である。バ
リウム、ストロンチウム、カルシウム等のようなアルカ
リ土類金属は、シリコン基板上で安定なテンプレート(t
emplate)を形成することが可能である。たとえばBaSi2/
BaO転移層は、先に引用した論文および特許で述べられ
ているように分子線エピタキシ(MBE: Molecular Beam E
pitaxy)により、シリコン基板上で成長する。これらの
転移層は、反応性(reactive)エピタキシおよびMBEによ
り、きれいな(clean)シリコン基板表面上で成長する。
しかしながら、これら従来のサブ単一層(sub-monolaye
r)のBa Si2を成長させるためには、(850℃を超える)極
めて高温のプロセスを要し、膜厚を正確に制御する必要
がある。このような高温および正確な膜厚制御は、成長
プロセスを困難にするものであり、コストおよびプロセ
ス時間を増加させてしまうものである。
【００１２】以下に参照する図面において、同様のもの
は同じ参照番号で示される。
【００１３】図1は、本発明で使用される分子線エピタ
キシ・システムの概念図を示す。このシステムは、分子
線エピタキシ(MBE)成長用容器10を有し、この容器は選
択された露出表面13を有するシリコン基板12を監視する
既存の手段11を含む。表面13は既存のクリーニング工程
を利用することにより充分に洗浄されており、洗浄後水
素停止(hydrogen terminate)され、それが酸化すること
を防止し、またはシリコン酸化被膜(一般にSiO2)を備え
ることも可能である。水素停止(hydrogen termination)
自体は周知の方法であり、水素が基板13におけるシリコ
ン原子の結合手に緩く結合され(シリコン酸化物に類似
する)、結晶性構造を完備させるものである。図2を参照
すると、基板12の断面図が描かれており、表面13上に形
成されたシリコン酸化物または水素停止の選択的な保護
被膜15を備えている。
【００１４】シリコン基板12および保護被膜15は、保護
被膜15が水素またはシリコン酸化物のそれぞれに応じて
約500℃ないし750℃または800℃ないし850℃の温度範囲
で加熱され、保護被膜15が除去される。加熱している
間、反射高エネルギ電子回折(RHEED: reflection high
energy electron diffraction)と呼ばれる周知の技術を
利用して(2x1)RHEEDパターンが得られるまで、シリコン
基板12の表面13はその場所で監視される。この(2x1)RHE
EDパターンは、表面13が純粋な単結晶シリコンであり、
水素または酸素結合に拘束されていないことを示すもの
である。これは、MBE成長用容器10内で実行することが
可能である。あるいは、基板12を成長用容器10に移管し
加熱が完了した後に、基板12を少なくとも部分的に準備
用容器(図示せず)で加熱することも可能である。成長用
容器10内の圧力は、10-9Torr以下に減圧されている。
【００１５】保護被膜15が除去されると、図3に示すよ
うに、基板12は適切な温度に維持され、この温度は一般
に約500℃ないし750℃の温度範囲内にある。成長用容器
10内の圧力がいったん減圧されると、基板12の表面13は
1以上のアルカリ土類金属の原子ビームおよびシリコン
の原子ビームに同時に晒される。再び図1を参照する
と、高純度シリコンまたはシリコン原子のソース17が成
長用容器10内に設けられ、高純度シリコンの原子ビーム
18が表面13に方向付けられ照射される。同様に、高純度
アルカリ土類金属またはアルカリ土類金属原子の1以上
のソース19が成長用容器10内に設けられ、高純度アルカ
リ金属の原子ビーム20が表面13に方向付けられ照射され
る。
【００１６】原子ビーム20は、例えばバリウムとするこ
とが可能である。好適実施例にあっては、バリウムおよ
びシリコン原子のビーム18,20は、それぞれ加熱放出セ
ル(heating effusion)により、またはe-ビーム蒸着源(e
vaporation source)から生成される。基板12の加熱され
た表面13は、シリコンの原子ビーム18および同時にバリ
ウムの原子ビーム20に晒される。原子ビーム18,20の流
束(flux)は一定に維持され、堆積されるアルカリ土類金
属または金属に依存して、一定の流束比が原子ビーム1
8,20間で維持される。原子ビーム20がバリウムである場
合、原子ビーム18と原子ビーム20の間の流束比は約2:1
である。原子ビーム18,20を組み合わせることによっ
て、シリコン基板12の表面13上に単結晶アルカリ土類金
属シリサイド層25が形成される。本実施例にあっては、
バリウム・シリサイド(Ba Si2)の薄膜25が表面13上で成
長している。
【００１７】反射高エネルギ電子回折(RHEED)によっ
て、層25のエピタキシャル成長速度が監視される。この
成長速度はRHEED強度振幅(intensity oscillation)によ
り予め校正されており、非常に正確であるため、単一層
またはサブ単一層の厚さのテンプレートを制御可能な形
式で成長させることが可能である。したがって、単結晶
アルカリ土類金属シリサイド層２５が、例えば1単一層
厚、1/2単一層厚、1/4単一層厚等を超えないうちに、シ
リコンの原子ビーム18およびシリコン基板12の加熱表面
13におけるアルカリ土類金属の原子ビーム20を方向付け
て照射する工程を終了させることが容易に可能である。
【００１８】図5および図6は、層25に対する原子構造の
概略を図示するための平面図および側面図をそれぞれ示
す。シリコン基板12の表面13を規定するシリコン原子は
規則的な複数の球26で示され、以下、これを表面原子26
という。原子ビーム18により供給されたシリコン原子は
規則的な複数の球27で示され、以下、これをシリコン原
子27という。原子ビーム20により供給されたバリウム原
子は規則的な複数の球28で示され、以下、これをバリウ
ム原子28という。このように、シリコン原子27およびバ
リウム原子28は単結晶バリウム・シリサイドを形成し、
表面原子26に結合され、規則的な表面(ordered surfac
e)を形成する。表面原子26は、エピタキシャル成長によ
る通常の単結晶シリコン構造内に規則正しく配列され、
(2x1)RHEEDパターンを呈する。
【００１９】単結晶アルカリ土類金属シリサイド成長の
ために付加的なシリコンを供給することにより、従来の
高温反応性エピタキシ・プロセスに比較して、プロセス
を非常に低温で行うことが可能になる(例えば、本願の5
00℃ないし750℃に対して従来は850℃以上の高温を要し
ていた。)。さらに、アルカリ土類金属原子は、シリコ
ン基板の結晶性構造と結合する必要はなく、層２５は滑
らかな(smoother)シリサイド/シリコン・インターフェー
スを有し、更なる化学量論的(stoichiometry)制御、膜
厚および品質制御を行うことが可能になる。
【００２０】他の実施例にあっては、ソース19がバリウ
ムおよびストロンチウムのソースを有する。この実施例
では、一方がバリウムで他方がストロンチウムである２
つの個別の原子ビームが、シリコンの原子ビーム18に加
えて表面13に方向付けられる。この実施例によれば、単
結晶アルカリ土類金属シリサイド（Ba,Sr）Si2が得られ
る。（Ba,Sr）Si2は(100)表面に非常に適切な格子を有
するので、シリコン基板12の表面13は(100)結晶表面で
あることが好ましい。この実施例の場合、シリコン原子
ビームと、バリウムおよびストロンチウムの原子ビーム
との流束比は、2:1の一定の流束比に維持される。バリ
ウムとストロンチウムの原子ビームの流束は、同一にす
ることも可能であり、異なる特性を与える単結晶アルカ
リ土類金属シリサイド層を得るため互いに異なる流束と
することも可能である。
【００２１】以上本発明によれば、低温プロセスで実行
することが容易であり、後続の薄膜エピタキシのための
規則的なウエファ表面を提供する分子線エピタキシ技術
が開示される。シリコン基板上に結晶性アルカリ土類金
属を準備する新規かつ改良された本方法は、低温で実行
可能な分子線エピタキシを使用し、プロセスの最中に行
う監視は極めて簡易なものである。さらに、この新規な
プロセスにより、一層滑らかなシリサイド/シリコン・イ
ンターフェースが得られ、膜厚および化学量論的制御を
比較的簡単に行うことが可能である。また、必要であれ
ば、従来の反応性エピタキシ・プロセスのものに比較し
て厚さの大きい膜を成長させることも可能である。
【００２２】以上本発明を特定の実施例に関連して説明
してきたが、これは本発明を限定するものではなく、当
業者であれば本発明の精神から逸脱することなく様々な
改良や変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使用される分視線エピタキシ・システム
の概略を示す。
【図2】本発明における工程を説明するための断面図を
示す。
【図3】本発明における工程を説明するための断面図を
示す。
【図4】本発明における工程を説明するための断面図を
示す。
【図5】本発明によりシリコン基板の表面上に形成され
た単結晶アルカリ土類金属シリサイド層における原子構
造の概略を示す平面図を示す。
【図6】本発明によりシリコン基板の表面上に形成され
た単結晶アルカリ土類金属シリサイド層における原子構
造の概略を示す側面図を示す。
【符号の説明】 10 分子線エピタキシ容器 11 監視手段 12 基板 13 基板表面 15 保護被膜 17,19 原子ビーム源 18,20 原子ビーム 25 単結晶アルカリ土類金属シリサイド層 26 基板表面原子 27 シリコン原子 28 アルカリ土類金属原子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジュン・ワン アメリカ合衆国アリゾナ州ギルバート、イ ースト・ウインザー・ドライブ442 (72)発明者 ラビドラナス・ドローパッド アメリカ合衆国アリゾナ州テンペ、イース ト・ジェミニ・ドライブ1854 (72)発明者 ダニエル・エス・マーシャル アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ウエスト・ポスト・ロード4160 (72)発明者 ジェラルド・エー・ホールマーク アメリカ合衆国アリゾナ州ギルバート、イ ースト・バウグン・アベニュー1544 (72)発明者 ジョナサン・アブロクワ アメリカ合衆国アリゾナ州テンペ、イース ト・ランチ・ロード1963

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板(12)上に結晶性アルカリ土
    類金属シリサイド(25)を形成する方法であって、当該方
    法は：表面(13)を有するシリコン基板(12)を準備する段
    階；シリコンのビーム源(17)およびアルカリ土類金属の
    ビーム源(19)を準備する段階；シリコン基板の前記表面
    を約750℃以下の温度に加熱する段階；および分子線エ
    ピタキシ容器(10)内において、シリコンのビーム(18)お
    よびアルカリ土類金属のビーム(20)を前記シリコン基板
    の加熱された前記表面に向かって照射し、シリコン基板
    の前記表面上に単結晶アルカリ土類金属シリサイド層(2
    5)を形成する段階；より成ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 シリコン基板の前記表面を加熱する段階
    が、シリコン基板の前記表面を約500℃ないし約750℃の
    範囲内の温度で行われることを特徴とする請求項1記載
    の方法。
  3. 【請求項3】 前記分子線エピタキシ容器が、10-9Torr
    以下の圧力に維持されることを特徴とする請求項1記載
    の方法。
  4. 【請求項4】 シリコン基板(12)上に結晶性アルカリ土
    類金属シリサイド(25)を形成する方法であって、当該方
    法は：表面(13)を有するシリコン基板(12)を準備する段
    階；シリコンのビーム源(17)およびアルカリ土類金属の
    ビーム源(19)を準備する段階；シリコン基板の前記表面
    を約500℃ないし約750℃の範囲内の温度で加熱する一
    方、(2x1)反射高エネルギ電子回折パターンが得られる
    まで反射高エネルギ電子回折により前記表面を監視する
    段階；10-9Torr以下の圧力に維持される分子線エピタキ
    シ容器(10)内において、シリコンのビーム(18)およびア
    ルカリ土類金属のビーム(20)をシリコン基板の加熱され
    た前記表面に向かって照射する一方、シリコンとアルカ
    リ土類金属の流束比を実質的に一定に維持し、シリコン
    基板の前記表面上に単結晶アルカリ土類金属シリサイド
    層(25)を形成する段階；および反射高エネルギ電子回折
    により単結晶シリサイド層(25)の前記表面を監視し、前
    記単結晶アルカリ土類金属シリサイド層の厚さが1単一
    層厚より大きくない場合に、シリコン基板の前記表面に
    対するシリコンの原子ビームおよびアルカリ土類金属の
    原子ビームの照射を停止する段階；より成ることを特徴
    とする方法。
  5. 【請求項5】 前記アルカリ土類金属がバリウムを含
    み、シリコンとアルカリ土類金属の流束比が約2：1であ
    ることを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 シリコン基板(12)上に結晶性アルカリ土
    類金属シリサイド(25)を形成する方法であって、当該方
    法は：洗浄され保護被膜を有する表面(13)を有するシリ
    コン基板(12)を準備する段階；シリコンのビーム源(17)
    およびアルカリ土類金属のビーム源(19)を準備する段
    階；シリコン基板の前記表面を約500℃ないし約750℃の
    範囲内の温度で加熱する一方、(2x1)反射高エネルギ電
    子回折パターンが得られるまで反射高エネルギ電子回折
    により前記表面を監視する段階；10-9Torr以下の圧力に
    維持される分子線エピタキシ容器(10)内において、シリ
    コンのビーム(18)およびアルカリ土類金属のビーム(20)
    をシリコン基板の加熱された前記表面に向かって照射す
    る一方、シリコンとアルカリ土類金属の流束比を実質的
    に一定に維持し、前記シリコン基板の表面上に単結晶ア
    ルカリ土類金属シリサイド層(25)を形成する段階；およ
    び反射高エネルギ電子回折により単結晶シリサイド層(2
    5)の前記表面を監視し、前記単結晶アルカリ土類金属シ
    リサイド層の厚さが1単一層厚より大きくない場合に、
    シリコン基板の前記表面に対するシリコンの原子ビーム
    およびアルカリ土類金属の原子ビームの照射を停止する
    段階；より成ることを特徴とする方法。
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