JP3879003B2 - シリサイド膜の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリサイド膜の作製方法、前記シリサイド膜を作製するための多層膜中間構造体、及び前記シリサイド膜を含む多層膜構造体に関する。
従来、半導体集積回路において金属／半導体接合を形成する場合、半導体基板上に金属膜を蒸着し、熱処理を加えることによって、金属−半導体化合物薄膜を形成し、これを素子の接合金属電極として用いる。シリコン系素子においては、金属としてチタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いてチタンダイシリサイド（ＴｉＳｉ２）、コバルトダイシリサイド（ＣｏＳｉ２）、ニッケルモノシリサイド（ＮｉＳｉ）、及びにニッケルダイシリサイド（ＮｉＳｉ２）などの金属シリコン化合物（シリサイド）膜を形成する方法が一般に用いられている。
ＣｏＳｉ２およびＮｉＳｉ２などのシリサイド膜は、シリコン基材とその格子定数差が数％しか相異しないために、前記シリサイド膜は、前記シリコン基材上にエピタキシャル成長させることができ、単結晶とすることができる。特に、ＮｉＳｉ２は、シリコン基材との格子定数差が０．４％程度であるために、８００℃以上の熱処理によって比較的容易に前記シリコン基材上にエピタキシャル成長させることができる。このため、前記ＮｉＳｉ２はシリコン系素子において、理想的な電極材料である。
しかしながら、上述のような高温での熱処理によってＮｉＳｉ２エピタキシャル膜を形成する場合、その前段階で形成されるニッケルシリサイド膜中には比較的多量の多結晶ＮｉＳｉが含まれており、この多結晶ＮｉＳｉが熱的に不安定であることから、前記のような高温での熱処理を行うことによって多結晶のＮｉＳｉ結晶粒が凝集してしまい、目的とするＮｉＳｉ２エピタキシャル膜の構造及び組成の均一性が劣化してしまう場合があった。
また、前記ＮｉＳｉ２エピタキシャル膜及び前記シリコン基材の界面におけるエネルギー的な安定性の関係から、前記シリコン基板の主面に対して傾斜したファセットが多数形成され、前記界面が凹凸状になってしまう場合があった。この結果、前記ＮｉＳｉ２はシリコン系素子の電極材料として理想的であるにも拘わらず、その潜在的な特性を十分に発揮させて、前記シリコン系素子の電極材料として実用することができないでいた。
本発明は、シリコン基材との界面が平坦であって、構造及び組成などが均一であり、シリコン系素子の実用的な電極材料などとして使用することのできるシリサイド膜を形成することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定のシリコン基材を準備する工程と、
前記シリコン基材上に、チタン介在層を形成する工程と、前記チタン介在層上に、被化合物元素含有層を形成して、多層膜中間構造体を形成する工程と、前記多層膜中間構造体に対して、３５０℃以下の熱処理と４００℃以上の追加熱処理を順次施し、前記シリコン基材のシリコン元素と、前記被化合物元素含有層の被化合物元素とを含むシリサイド膜を形成する工程とを具え、前記被化合物元素含有層はニッケル層であって、前記シリサイド膜はニッケルシリサイド膜であることを特徴とする、シリサイド膜の作製方法である。
所定のシリコン基材を準備する工程と、
前記シリコン基材上に、チタン介在層を形成する工程と、前記チタン介在層上に、被化合物元素含有層を形成して、多層膜中間構造体を形成する工程と、前記多層膜中間構造体に対して、３５０℃以下の熱処理と４００℃以上の追加熱処理を順次施し、前記シリコン基材のシリコン元素と、前記被化合物元素含有層の被化合物元素とを含むシリサイド膜を形成する工程とを具え、前記被化合物元素含有層はニッケル層であって、前記シリサイド膜はニッケルシリサイド膜であることを特徴とする、シリサイド膜の作製方法である。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、熱処理に供する前のシリコン基材及びこのシリコン基材上に形成した、ニッケル層などのシリサイド膜を構成する被化合物元素を含む被化合物元素含有層からなる多層膜中間構造体において、前記シリコン基材と前記被化合物元素含有層との間に、チタン層を介在させることによって、前記シリコン基材と前記被化合物元素含有層との界面反応を制御することができる。
この結果、前記シリコン基材、前記チタン介在層及び前記被化合物元素含有層を含む多層膜中間構造体に対して熱処理を施し、前記シリコン基材中のシリコン元素及び前記被化合物元素含有層中の前記被化合物元素からなるシリサイド膜を作製した場合に、前記シリコン基材と前記シリサイド膜との界面は凹凸状となることはなく、極めて平坦、例えば原子レベルで平坦となることを見出した。
また、上述した本発明の方法によれば、前記シリサイド膜を極めて低い温度、例えばＮｉＳｉ２膜などは３５０℃程度の低温で作製することができる。したがって、前記ＮｉＳｉ２膜を形成する際に、熱処理前に多結晶ＮｉＳｉが存在していた場合においても、熱処理温度が比較的低いために、前記多結晶ＮｉＳｉの熱的不安定性に起因した凝集などの問題を生じない。
また、目的とするシリサイド膜、特にＮｉＳｉ２膜を形成した後に、このシリサイド膜を例えば６００℃以上の高温状態に配置した場合においても、結晶粒の凝集が生じない。したがって、構造及び組成などにおいて極めて均一なシリサイド膜を得ることができる。この結果、最終的に得た目的とするシリサイド膜、特にＮｉＳｉ２膜はエピタキシャル膜として形成されるために、シリコン系素子の実用的な電極材料として好適に用いることができるようになる。
なお、従来においては、ＮｉＳｉ２膜を形成する際の熱処理温度が８００℃以上であったが、本発明では、上述したように前記熱処理温度を３５０℃以下まで低減することができる。したがって、前記ＮｉＳｉ２膜の作製をより簡易に行うことができるようになる。
本発明の好ましい態様においては、前記チタン介在層の厚さを５０ｎｍ以下とすることができる。これによって、前記チタン介在層による上述した作用効果をさらに増長させることができるとともに、目的とするシリサイド膜中における残留チタン量を減少させることができ、チタン含有に起因したその特性変化を抑制することができる。
また、本発明では、前記シリサイド膜に対して上記熱処理の後に、追加の熱処理を施す。これによって、前記シリサイド膜とシリコン基材との界面平坦性をさらに向上させることができる。この追加の熱処理温度は４００℃以上とする。
なお、本発明は、上述したＴｉＳｉ２膜、ＣｏＳｉ２膜、ＮｉＳｉ膜、及びＮｉＳｉ２膜などの総てのシリサイド膜の作製に対して適用することができるが、特に好ましくはＮｉＳｉ２膜の作製に対して適用することができる。
以上説明したように、本発明によれば、シリコン基材との界面が平坦であって、構造及び組成などが均一であり、シリコン系素子の実用的な電極材料などとして使用することのできるシリサイド膜を形成することができる。
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
図１及び２は、本発明のシリサイド膜の作製方法における作製工程を示す図である。最初に、図１に示すように、シリコン基材１１を準備し、このシリコン基材１１上にチタン介在層１２を形成する。次いで、チタン介在層１２上に目的とするシリサイド膜を構成する被化合物元素を含む被化合物元素含有層１３を形成し、多層膜中間構造体１０を作製する。
次いで、多層膜中間構造体１０に対して、真空中、窒素又はアルゴンなどの雰囲気中において熱処理を施し、シリコン基材１１を構成するシリコン元素と、被化合物元素含有層１３を構成する前記被化合物元素とを相互拡散させ、図２に示すように、シリコン基材１１上に目的とするシリサイド膜２３を形成する。
チタン介在層１２は、上述したように、熱処理を通じて目的とする前記シリサイド膜を形成する際に、シリコン基材１１とシリサイド膜２３との界面反応を抑制するために設けられているものである。この結果、シリサイド膜２３を形成する際において、シリコン基材１１及びシリサイド膜２３の界面２４において、ファセットなどの形成が抑制され、その結果、界面は凹凸などを呈することなく、極めて平坦となる。
さらに、上述した熱処理を通じて、シリサイド膜２３は極めて低い温度、例えばＮｉＳｉ２膜などは３５０℃程度の低温で作製することができる。したがって、前記ＮｉＳｉ２膜を形成する際に、熱処理前に多結晶ＮｉＳｉが存在していた場合においても、前述した低い熱処理温度に起因して、前記多結晶ＮｉＳｉの熱的不安定性に起因した凝集などの問題を生じない。
また、目的とするシリサイド膜、特にＮｉＳｉ２膜においては、その形成後において、前記シリサイド膜を例えば６００℃以上の高温状態に配置した場合においても、結晶粒の凝集が生じない。したがって、構造及び組成などにおいて極めて均一なシリサイド膜を得ることができる。この結果、最終的に得た目的とするシリサイド膜、特にＮｉＳｉ２膜はエピタキシャル膜として形成されるために、シリコン系素子の実用的な電極材料として好適に用いることができるようになる。
チタン介在層１２の厚さは５０ｎｍ以下、さらには２０ｎｍ以下、特には５ｎｍ以下とすることが好ましい。これによって、上述したチタン介在層１２による作用効果をより増長することができるようになる。
なお、特に限定されるものではないが、チタン介在層１２の上述した作用効果を実効あらしめるようにするためには、その厚さの下限値は０．５ｎｍとすることが好ましい。
また、チタン介在層１２は、上述した熱処理を通じて形成したシリサイド膜２３中に分散するようになる。したがって、シリサイド膜２３は、シリコン元素及び被化合物元素に加えて、微量のチタン元素を含むようになる。
なお、被化合物元素含有層１３の厚さは、目的とするシリサイド膜２３の厚さに応じて適宜に設定することもできる。被化合物元素含有層１３は、上述した熱処理を通じて総てシリサイド膜２３に転換することもできるが、一部を残存させることもできる。例えば、チタン介在層１２の厚さを上述したように５０ｎｍ以下とした場合は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲に設定する。図２においては、被化合物元素含有層１３は総てシリサイド膜２３に転換している。
また、被化合物元素含有層１３をＣｏ層、Ｎｉ層又はＰｔ層から構成し、シリサイド膜２３として、ＣｏＳｉ２膜、ＮｉＳｉ膜、又はＰｔＳｉ膜などを形成する場合においても、熱処理温度などを適宜に制御することにより、エピタキシャル膜となる。したがって、これらのシリサイド膜もシリコン系素子の実用的な電極材料として使用することができる。
また、本発明においては、図２に示すようなシリサイド膜２３を形成した後、このシリサイド膜２３に対して、前記熱処理の後、さらに追加の熱処理を行うことによって、シリコン基材１１とシリサイド膜２３との界面２４の平坦性を簡易かつ効果的に向上させることができる。具体的には、原子レベルで平坦な界面２４を高い再現性の下に形成することができる。
例えばＮｉＳｉ２膜に対して前記追加の熱処理を行う場合、シリコン基材１１及びＮｉＳｉ２膜２３を含む多層膜構造体２０を真空中、窒素又はアルゴンなどの雰囲気中に配置し、４００℃以上、特には６００℃以上の温度に加熱することによって実施する。なお、前記追加の熱処理温度の上限値は１０００℃以下とすることができる。これを超える温度で熱処理を実施してもさらなる界面の平坦性は得られず、逆に界面が粗れて、その平坦性が劣化してしまう場合がある。
＜シリサイド膜の形成＞
（実施例１）
（１００）シリコン基板を準備し、このシリコン基板上にチタン介在層を厚さ２ｎｍに形成するとともに、前記チタン介在層上にニッケル層を厚さ９ｎｍに形成して、多層膜中間構造体を作製した。次いで、前記多層膜中間構造体を真空中に配置するとともに、３５０℃の温度で３０分間熱処理を実施した後、窒素雰囲気に配置し、５５０℃〜８５０℃の温度で追加の熱処理を実施し、前記シリコン基板上にニッケルシリサイド膜を形成した。
（実施例１）
（１００）シリコン基板を準備し、このシリコン基板上にチタン介在層を厚さ２ｎｍに形成するとともに、前記チタン介在層上にニッケル層を厚さ９ｎｍに形成して、多層膜中間構造体を作製した。次いで、前記多層膜中間構造体を真空中に配置するとともに、３５０℃の温度で３０分間熱処理を実施した後、窒素雰囲気に配置し、５５０℃〜８５０℃の温度で追加の熱処理を実施し、前記シリコン基板上にニッケルシリサイド膜を形成した。
（比較例１）
チタン介在層を形成せず、かつ前記追加の熱処理を実施しない以外は、実施例１と同様にしてシリコン基板上にニッケルシリサイド膜を形成した。
チタン介在層を形成せず、かつ前記追加の熱処理を実施しない以外は、実施例１と同様にしてシリコン基板上にニッケルシリサイド膜を形成した。
（比較例２）
比較例１で得たシリコン基板及びニッケルシリサイド膜を含む多層膜構造体に対して、実施例１と同じ条件下で追加の熱処理を施した。
比較例１で得たシリコン基板及びニッケルシリサイド膜を含む多層膜構造体に対して、実施例１と同じ条件下で追加の熱処理を施した。
＜シリサイド膜の評価＞
図３は、実施例１で得たニッケルシリサイド膜のＸ線回折パターンを示すグラフであり、図４は、比較例１及び２で得たニッケルシリサイド膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。図３及び４において、温度３５０℃は、前記ニッケルシリサイド膜形成時の熱処理温度を指し、実施例１及び比較例２の温度６５０℃、７５０℃、及び８５０℃は追加の熱処理温度を指している。
図３は、実施例１で得たニッケルシリサイド膜のＸ線回折パターンを示すグラフであり、図４は、比較例１及び２で得たニッケルシリサイド膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。図３及び４において、温度３５０℃は、前記ニッケルシリサイド膜形成時の熱処理温度を指し、実施例１及び比較例２の温度６５０℃、７５０℃、及び８５０℃は追加の熱処理温度を指している。
図３から明らかなように、３５０℃の熱処理で得たニッケルシリサイド膜、並びに６５０℃及び７５０℃の追加の熱処理で得たニッケルシリサイド膜では、Ｓｉ（３１１）結晶面以外からの回折ピークは見られず、また、８５０℃の追加の熱処理で得たニッケルシリサイド膜では、Ｃ５４−ＴｉＳｉ２の結晶ピークが観察されるのみであることが分かる。これは、エピタキシャルＮｉＳｉ２膜において、ＮｉＳｉ２結晶相の回折ピークがＳｉ（３１１）結晶面からの回折ピークに一致することを考慮すると、３５０℃の熱処理によって既にエピタキシャルＮｉＳｉ２膜が形成され、８５０℃までの追加の熱処理によって、その構造が維持されていることを示している。
また、図４から明らかなように、比較例１では３５０℃の熱処理によって、ＮｉＳｉの多結晶が形成され、７５０℃までの追加の熱処理ではＮｉＳｉ結晶相が安定に存在するが、８５０℃の追加の熱処理ではＮｉＳｉ結晶相が消失していることが分かる。すなわち、この場合も、エピタキシャルＮｉＳｉ２膜において、ＮｉＳｉ２結晶相の回折ピークがＳｉ（３１１）結晶面からの回折ピークに一致することを考慮すると、８５０℃の追加の熱処理によって、前記ニッケルシリサイド膜中にはＮｉＳｉ２相が生成していることを示している。
図５は、実施例１で得たニッケルシリサイド膜の表面ＳＥＭ写真であり、図６は、比較例２で得たニッケルシリサイド膜の表面ＳＥＭ写真である。なお、いずれの場合も、追加の熱処理温度は７５０℃である。図５及び６から明らかなように、実施例１で得たニッケルシリサイド膜では極めて均一な膜表面が形成されているのに対し、比較例２で得たニッケルシリサイド膜では、その表面構造が極めて不均一になっていることが分かる。なお、特性Ｘ線を用いた組成分析より、図６における黒色部分はシリコン基板の露出した部分であることが判明した。
図７は、実施例１で得たニッケルシリサイド膜の断面ＴＥＭ写真であり、図８は、比較例２で得たニッケルシリサイド膜の断面ＴＥＭ写真である。なお、いずれの場合も、追加の熱処理温度は８５０℃である。図７及び８から明らかなように、実施例１で得たニッケルシリサイド膜は、シリコン基板に対して原子レベルで平坦な界面を有するのに対し、比較例２で得たニッケルシリサイド膜では、局所的に｛１１１｝ファセットが形成され、シリコン基板に対して極めて不均一な（凹凸状の）界面を有することが判明した。
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
１０ 多層膜中間構造体
１１ シリコン基材
１２ チタン介在層
１３ 被化合物元素含有層
２０ 多層膜構造体
２３ シリサイド膜
２４ シリコン基材とシリサイド膜との界面
１１ シリコン基材
１２ チタン介在層
１３ 被化合物元素含有層
２０ 多層膜構造体
２３ シリサイド膜
２４ シリコン基材とシリサイド膜との界面
Claims (4)
- 所定のシリコン基材を準備する工程と、
前記シリコン基材上に、チタン介在層を形成する工程と、
前記チタン介在層上に、被化合物元素含有層を形成して、多層膜中間構造体を形成する工程と、
前記多層膜中間構造体に対して、３５０℃以下の熱処理と４００℃以上の追加熱処理を順次施し、前記シリコン基材のシリコン元素と、前記被化合物元素含有層の被化合物元素とを含むシリサイド膜を形成する工程と、
を具え、
前記被化合物元素含有層はニッケル層であって、前記シリサイド膜はニッケルシリサイド膜であることを特徴とする、シリサイド膜の作製方法。 - 前記チタン介在層の厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のシリサイド膜の作製方法。
- 前記シリサイド膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシリサイド膜の作製方法。
- 前記ニッケルシリサイド膜はニッケルダイシリサイド（ＮｉＳｉ２）膜であることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のシリサイド膜の作製方法。
Priority Applications (3)
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