JPH04163914A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、シリコン
基板上に多結晶シリコンを選択的に成長させる方法に関
するものである。

［従来の技術］ 例えば、バイポーラデバイスのエミッタ拡散層形成工程
等において、拡散層形成のための拡散源としてコンタク
トホール内に形成されたシリコン膜を用いることがよ（
行われる。従来、単結晶シリコン基板上の絶縁膜に形成
されたコンタクトホ−ル内にシリコン膜を形成する手段
としては、■、全全面多結晶シリコン膜を形成し、絶縁
膜上の多結晶シリコンを除去する、 ■、コンタクトホール内のみに選択的にシリコンをエピ
タキシャル成長させる、 ■、コンタクトホール内には単結晶シリコンを、絶ＩＩ
＃膜上には多結晶シリコンを形成し、絶縁膜上の多結晶
シリフンを除去する、 等の方法が知られている。次に、これらの手段について
より詳しく説明する。

■、全面多結晶シリコン形成法 この手法は、現在量も一般的に採用されている技術手段
である。まず、第４図（ａ）に示すように、単結晶シリ
コン基板１上に二酸化シリコン膜２を形成し、これにフ
ンタクトホール３を形成する。そして、その表面にモノ
シラン（ＳｉＨ，）と窒素の混合気体を反応気体とし、
反応温度５５０〜７００℃、反応圧力０．　１〜１Ｔｏ
ｒｒの条件の減圧気相成長法によりシリコンを成長させ
る。

この際、単結晶シリコン基板表面は、基板温度が低いた
めに表面最上層の原子再配列が十分行われずかつ表面欠
陥が高密度に存在した状態となっている。また、表面に
存在する自然酸化物や炭化物といった汚染層も十分除去
されてはいない。このような単結晶シリコン基板上に気
相中からシリコン原子が飛来すると、シリコンは表面に
存在する欠陥や汚染層に優先的に吸着した後クラスター
となり安定核を形成する。この安定核はその位置が無秩
序でかつ高密度に分布する。その後、この不均一に分布
する核を中心としてシリコン単結晶島が成長するが、形
成された結晶島同士が衝突すると、結晶格子が連続せず
結晶粒界が発生し結果として多結晶シリコンが形成され
る。また、二酸化シリコン上では、反応温度が低いため
に高温で行われるＳｉとＳｉｎｇとの反応がほとんど進
行せず、やはり基板の長距離秩序の欠如のため高密度の
無秩序な核形成が行われて多結晶シリコンが形成される
。すなわち、従来の減圧気相成長法で多結晶シリコンを
成膜すると、コンタクトホール底部４の単結晶シリコン
露出部と二酸化シリコン膜２の両方の上に同様の多結晶
シリコン膜８が形成され、選択性がなかった。

次に、第４図（ｂ）に示されるように、コンタクトホー
ル領域に形成された多結晶シリコン膜にリン（Ｐ）、ヒ
素（Ａｓ）等の不純物原子を全面にあるいは選択的にイ
オン注入し、さらに７００℃程度で単結晶シリコン基板
１をアニールしてイオン注入により導入された結晶欠陥
を回復する。

この際、不純物原子は結晶粒界に偏析する。続いて、第
４図（Ｃ）に示されるように、二酸化シリコン膜２上に
成膜された多結晶シリコン膜８を通常のリングラフィ技
術および通常のエツチング技術を用いて除去する。続い
て、１０００”Ｃの熱処理を行って多結晶シリコン膜８
下に拡散層を形成した後、第４図（ｄ）に示されるよう
に、不純物原子を含む多結晶シリコン膜８上にアルミニ
ウム配線７を形成する。

■１選択エピタキシャシル法その１） 二酸化シリコン膜の所定の領域にコンタクトホールを形
成して単結晶シリコンを露出させたシリコン基板上に、
四塩化シリコン（ＳｉＣ７４）と水素（Ｈ２）の混合気
体を反応気体とし、基板温度１２５０℃以上とした減圧
気相成長法でシリコンを成長させると、露出した単結晶
シリコン部分のみに単結晶シリコン膜が形成される。そ
の理由を以下に説明する。

四塩化シリコンき水素を使用した減圧気相成長では次式
のような反応が進み、気相中にシリコン原子が発生する
。

ＳｉＣノ、＋２Ｈ２→Ｓｉ＋４ＨＣ７＝・（１）（１）
式の反応が進む温度は１２５０℃以上である。

この気相反応で発生したシリコン原子が単結晶シリコン
基板上に到達した場合、均等に結晶核の発生が起こり、
引き続き２次元層成長が開始されて下地基板と同じ結晶
方位を持つ単結晶シリコンがエピタキシャル成長される
。一方、シリコン原子が、二酸化シリコン上に到達した
場合には、成長温度が１２５０℃と高いために、二酸化
シリコンとシリコン原子が次式のような反応を起こし、
気体状態の一酸化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｏ）を分解放出す
る。

Ｓ　ｉ＋ｓ　ｉｏ２→２８　ｆｏｔ　　　　　　　　　
−（２）第５図は一酸化シリコンの固相−気相間平衡圧
の温度依存性を表している。通常、シリコンエピタキシ
ャル成長を行わせるための減圧気相成長における圧力は
１〜１０−”Ｔｏｒｒ程度であるから、第５図より読み
取れるように、成長温度が１２００℃以上であれば一酸
化シリコンは気相中に分解放出される。従って、二酸化
シリコン上に到達したシリコン原子は、結晶成長をする
ための核形成を行う前に０式に従った一酸化シリコンの
気相分解放出に消費されて、二酸化シリコン上には何も
形成されないことになる。

■０選選択エピタキシャル法その２） モノシラン（Ｓ　ｉＨ４）を用い、１０００℃にて減圧
気相成長を行わせる。この条件の下では、単結晶シリコ
ン表面においては飛来したＳｔにより均一な核が発生さ
れ、ひき続き２次元層成長が開始されて下地基板に倣っ
た単結晶シリコンが成長される。しかし、二酸化シリコ
ン膜上に到達したＳｉは０式の反応を起こしえず、無定
形の下地のために、不均一な核を発生させることとなる
。

その結果、コンタクトホール内には単結晶シリコン膜が
、二酸化シリコン膜上では多結晶シリコン膜が形成され
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したＩおよび■の従来技術では、二酸化シリコン膜
上の多結晶シリコンを除去しなければならないので、エ
ツチング工程が必要となる外、コンタクトホールより多
結晶シリコン膜を目合わせ余裕分大きくしなければなら
ないので、微細化、高集積化が困難な構造となっている
。さらに、多結晶シリコン膜のエツチング後には、多結
晶シリコン膜と二酸化シリコン膜との間に段差が生じ、
その結果、アルミニウム配線に亀裂や断線が発生し易く
半導体装置の特性や信頼性を低下させていた。

また、■の従来技術では、多結晶シリコン膜のエツチン
グに基づく不都合は解消されているものの、シリコン膜
が単結晶であるため〜イオン注入後の熱処理時に不純物
原子の結晶粒界への偏析という現象が発生せず、そのた
めの拡散層の形成が安定して実行されないという欠点が
あった。

よって、本発明の目的とするところは、コンタクトホー
ル内のみに多結晶シリコン膜を形成しつるようにして、
上記従来例の諸欠点を一掃することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決するためにコンタクトホー
ル底部の単結晶シリコン基板上に、格子定数がシリコン
のそれに近くかつ熱膨張係数がシリコンのそれとは大き
く離れている材料の結晶核を形成した後、この結晶核が
存在しない場合には前記単結晶シリコン基板上に選択的
にエピタキシャル層が形成される条件でシリコンを成長
させ、コンタクトホール内に選択的に多結晶シリコン膜
を形成する。具体例としては、結晶核形成材料としては
弗化カルシウム（Ｃａｂｓ）等のアルカリ土類金属弗化
物を用い、シリコン膜形成手段としては、シリコン塩化
物、水素の混合気体を使用した減圧気相成長法またはシ
リコン水素化物を使用した分子線エピタキシー法を用い
る。

［作用］ フンタクトホールが形成された絶縁膜を有するシリコン
基板１に、分子線エピタキシー法等により格子定数がシ
リコンのそれに近い材料を成長させると、コンタクトホ
ール底部の単結晶シリコン基板上のみに結晶核が形成さ
れる。次に、選択エピタキシャル法によりシリコンを成
長させると、始めは下地基板に規制された単結晶が形成
されるが、これが成長して先に形成されていた結晶核に
まで到達すると、この結晶核とシリコンとの熱膨張係数
の違いにより両者の結晶格子の整合がとれないので、そ
れ以上の単結晶シリコンの形成が阻止され、形成される
シリコン膜は多結晶化する。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

［実施例１コ 第１図（ａ）〜第１図（ｅ）は本発明の実施例を説明す
るための断面図である。まず、第１図（ａ）に示すよう
に、単結晶シリコン基板１上の二酸化シリコン膜２に選
択的エツチングを施してコンタクトホール３を形成し、
コンタクトホール底部４の単結晶シリコン基板表面を露
出させる。次に、この単結晶シリコン基板１を超高真空
チャンバー内に設置して、圧力１０−’Ｔｏｒｒの超高
真空下で単結晶シリコン基板１を８００℃の温度で１時
間加熱してコンタクトホール底部４の表面に存在する自
然酸化膜、汚染層を蒸発させて清浄な単結晶シリコン表
面を露出させる。その後、単結晶シリコン基板１の温度
を４５０℃に下げて、抵抗加熱式セルに入れた弗化カル
シウム（ＣａＦ２）を９５０℃に加熱して分子線を作り
出し、３秒間単結晶シリコン基板１に照射してコンタク
トホール底部４上に弗化カルシウムの結晶核５をエピタ
キシャル成長させる［第１図（ｂ）：Ｉ。表１に示すよ
うに、弗化カルシウムの格子定数はシリコンのそれとよ
く一致しており、結晶構造もシリコンのダイヤモンド構
造とよく似たホタル石型構造をとるため、分子線エピタ
キシー法を用いれば弗化カルシウムは低温で単結晶シリ
コン上に良好にエピタキシャル成長される。

表１ 弗化カルシウムのエピタキシャル成長における律速反応
は、シリコンとより電気陰性度の低いカルシウムの結合
生成反応である。超高真空下で清浄化された単結晶シリ
コン表面では、シリコンのダングリングボンドが飛来し
た弗化カルシウム分子のカルシウム原子を捕捉し、クラ
スターを形成した後にカルシウム原子が８配位、弗素原
子が４配位の弗化カルシウム単結晶が成長される。一方
、超高真空下での二酸化シリコン（８１０２）表面上で
は表面エネルギーを下げるためにシリコンのダングリン
グボンドを酸素原子が終端していて、表面には酸素原子
が再配列している。この表面上に弗化カルシウムの分子
が飛来してもシリコンとカルシウムの結合生成反応が起
こらないので、結果として二酸化シリコン膜２上には弗
化カルシウムは成長しない。本実施例のように分子線照
射時間が３秒と短いと、コンタクトホール底部４の全面
に弗化カルシウムが成長するわけではなく、直径２ｎｉ
程度の結晶核が１０６個／ｅＪ程度成長するだけである
。

その後、単結晶シリコン基板１を超高真空チャンバー内
より取り出し、さらに、反応温度１２５０℃、反応圧力
０　、５　Ｔｏｒｒの条件で四塩化シリコン（ＳｉＣ７
４）と水素（Ｎ２）の混合気体あるいは四塩化シリコン
、水素および窒素（Ｎ２）の混合気体を用いた減圧気相
成長法でシリコンを成長させる。この場合、通常であれ
ばコンタクトホール３内には単結晶シリコンが選択成長
されるところ、コンタクトホール底部４には弗化カルシ
ウムの結晶核５が存在するために、第１図（Ｃ）のよう
に、コンタクトホール３には多結晶シリコン６が選択成
長される。その理由を以下に述べる。

表１かられかるように、弗化カルシウムの熱膨張係数は
シリコンのそれと比較して７倍程度大きい。このため、
４５０°Ｃ程度の低温でシリコンとよく格子定数の一致
していた弗化カルシウム結晶核５も減圧気相成長反応温
度である１２５０℃程度の高温では熱膨張して格子定数
が１０％程度大きくなり、単結晶シリコン基板１との結
晶格子の整合がとれない状態となる。この状態で減圧気
相成長法を用いてシリコンをエピタキシャル成長させる
と、最初気相中より飛来したシリコン原子は単結晶シリ
コン基板１上に到達して安定な核を均一に生成した後、
それを中心として横方向に成長し始め２次元層成長が進
行する。ところが横方向成長の途中で熱膨張のため格子
定数の大きくなった弗化カルシウムの結晶核５ａに到達
すると、結晶格子の連続性が保てなくなるため、第２図
に示すように、２次元層成長が終了して結晶粒界８ａが
発生する。この結果コンタクトホールには、結晶粒６ｂ
がモザイク状に配列した多結晶シリコンが選択的に成長
されることとなる。

次に、第１図（ｄ）に示されるように、選択成長した多
結晶シリコン膜を不純物原子の固相拡散源として用いる
ためにヒ素（Ａｓ）を全面にあるいは選択的にイオン注
入する。この場合、全面にイオン注入を行っても二酸化
シリコンと多結晶シリコンとのイオン透過性の違いから
多結晶部分に有効に不純物を導入することができる。

次に、７００℃でシリコン基板１をアニールしてイオン
注入により導入された結晶欠陥を回復する。その後、さ
らに１０００℃の熱処理を行って多結晶シリコン膜６下
に拡散層を形成し、最後に多結晶シリコン膜６上にアル
ミニウム配線７を形成する［第１図（ｅ）コ。

このようにして選択成長された多結晶シリコンは減圧気
相成長における成長時間を決定することで成長膜厚を任
意に制御することができるので、二酸化シリコンと同一
レベルとなるようにコンタクトホールを多結晶シリコン
で埋設することが可能となる。この結果、従来のような
多結晶シリコン上の金属配線に亀裂や断線といった事故
が発生するのを防止することができ、半導体装置の信頼
性を向上させることができる。また、多結晶シリコン層
のバターニングの必要がなくなるので製造工程の簡素化
も同時に達成される。

この実施例では、核形成材料として弗化カルシウムを用
いていたがこれに代えて他のアルカリ土類金属弗化物を
用いても同様の効果が得られる。

［実施例２コ 第２の実施例では、先の実施例における弗化カルシウム
に代えて、弗化カルシウムと弗化ストロンチウム（Ｓ　
ｉ　Ｆ２　）との混晶を利用する。

アルカリ土類金属弗化物が混晶を形成すると、ホタル石
型結晶格子の８配位サイトに、カルシウム、ストロンチ
ウム等のアルカリ土類金属イオンがランダムに充填され
る。その結果、混晶比と混晶の格子定数の間に直線関係
が成立するとする「Ｖｅｇａｒｄの法則」が良く成り立
つようになる。

表１より弗化ストロンチウムは弗化カルシウムより格子
定数が大きいので、混晶を作れば必ず混晶の格子定数は
弗化カルシウムのそれより大きくなる。第１図（ｂ）に
示す結晶核５の形成工程において、抵抗加熱式セルに弗
化カルシウム粉末２３％、弗化ストロンチウム粉末７７
％の混合物を入れ分子線エピタキシーを行うと、形成さ
れた結晶核の格子定数は０．５５３９ｎｍとなり、シリ
コンの格子定数に比べて２％程度大きくなる。この程度
の格子不整合でも結晶核はエピタキシャル成長するが、
結晶格子の不整合が原因となって結晶核の形成密度が下
がり、その結果、より結晶粒径の大きい多結晶シリコン
が選択成長されることになる。さらに弗化ストロンチウ
ムの混晶比を上げることにより結晶核の格子定数を大き
くし結晶核の形成密度を下げれば、さらに粒径の大きい
多結晶シリコンが選択成長される。すなわち、本実施例
ではアルカリ土類金属弗化物の混晶比を変化させること
によって、選択成長される多結晶シリコンの結晶粒の大
きさを制御することが可能になるという利点がある。多
結晶シリコンの結晶粒径は多結晶シリコン層の比抵抗を
決定する一つの要因であるので、結果として本方法で多
結晶シリコン層の比抵抗を制御することが可能となる。

本実施例における弗化カルシウムと弗化ストロンチウム
との混晶に代えて、弗化カルシウムと弗化バリウムとの
混晶を用いることができる。

［実施例３コ 本発明の第３の実施例では、減圧気相成長法でシリコン
を成長するのに代えて、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）気体を
用いた気体ソース分子線エピタキシー法で多結晶シリコ
ンを選択成長させる。

第１図（ｂ）に示す工程において、清浄な単結晶シリコ
ン表面が露出した単結晶シリコン基板１を４５０℃に加
熱し、分子線エピタキシー法で弗化カルシウムの分子線
を３秒間照射して、コンタクトホール底部４上に弗化カ
ルシウムの結晶核５を選択的に成長させる。さらに、第
１図（Ｃ）に示す工程では、単結晶シリコン基板１を超
高真空チャンバー内から取り出さずに６００℃に加熱し
て、圧力２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの条件でジシラン気
体を０　、５　ａＪ　１１ｎ−’の流量で導入する。こ
のような低い圧力でしかも低い基板温度では、ジシラン
の気相中での解離が促進されずかつジシランの導入量が
少ないため二酸化シリコン１［２上でシリコンの核形成
が行われないので、二酸化シリコン膜２上には何も形成
されない。一方コンタクトホール底部４には清浄な単結
晶シリコンが露出しており、シリコンのダングリングボ
ンドと気相中より解離しないで到達したジシランの分子
が極少ない頻度ではあるが反応し、そこで核が形成され
る。その核を中心としてジシランの表面移動、吸着、分
解などの過程を経てシリコンが２次元層に成長していき
、ここに、単結晶シリコンがエピタキシャル成長される
。すなわちコンタクトホール底部４上にのみシリコンが
選択成長されることとなる。その成長速度は低圧、低温
、低気体流量のため２ｎｍ・腸１ｎ−１と小さい。

第３図は、ジシラン気体を用いた気体ソース分子線エピ
タキシー法で圧力２　Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒの時の選択
成長領域の温度−気体流量依存性を表す図である。この
気体ソース分子線エピタキシー法では成長温度が５５０
℃を越えない範囲で低く、シかも気体流量が小さい程選
択成長しやすい。第１図（Ｃ）に示す工程において、コ
ンタクトホール底部４上に選択成長し始めたシリコンは
やがて熱膨張して格子定数がシリコンと一致しなくなっ
ている弗化カルシウム核に到達し、そこで結晶格子の連
続性が保持できなくなるために、第２図に示されるよう
に、弗化カルシウム核５ａの上に結晶粒界６ａが形成さ
れる。その結果、コンタクトホール内には結晶粒６ｂが
モザイク状に配列した多結晶シリコン膜が選択的に成長
されることになる。

本実施例では、多結晶シリコンの成長温度を６００℃程
度に下げることができるので、単結晶シリフン基板中に
形成された不純物拡散層の不純物プロフィルの変化を抑
制することが可能となる。

以上の各実施例においては、多結晶シリコン膜への不純
物の導入は多結晶シリコン膜の形成後に行っていたが、
これに代えて、多結晶シリコン膜を形成するガス中に不
純物を導入しておき、成膜時に同時に不純物を導入する
ようにしてもよい。

また、熱拡散によって多結晶シリコンに不純物をドーピ
ングするようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、コンタクトホールが形
成された絶縁膜を有する単結晶シリコン基板のコンタク
トホール底部にエピタキシャル成長阻止核を選択的に形
成した後、エピタキシャル成長阻止核が存在しない場合
には選択エピタキシャル成長がなされる条件でシリコン
膜を形成するものであるので、本発明によれば、コンタ
クトホール内に選択的に多結晶シリコン膜を形成するこ
とができる。従って、本発明によれば、絶縁膜上の多結
晶シリコンをエツチング除去する必要がなくなるので、
工程が簡素化され、また、マスク目金わせずれの余裕を
とる必要がなくなるので、装置の小型化が可能となる。

さらに、多結晶シリコン膜による段差が解消するので、
その上に形成されるアルミニウム配線の亀裂や断線が防
止され、半導体装置の信頼性が高まる。

また、コンタクトホール内に形成されるシリコン膜が多
結晶であることから単結晶基板への不純物の拡散を安定
して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、それぞれ本発明の詳細な説明するた
めの半導体装置の断面図、第３図は、本発明の実施例に
用いられる分子線エピタキシー法における特性図、第４
図は、従来例の工程断面図、第５図は、−酸化シリコン
の固相−気相間平衡圧の温度依存性を示す図である。 １・・・単結晶シリコン基板、　２・・・二酸化シリコ
ンｇ、　ｓ−・・コンタクトホール、　４・・・コンタ
クトホール底部、　５・・・弗化カルシウム結晶核、５
ａ・・・熱膨張した弗化カルシウム結晶核、　６．８・
・・多結晶シリコン膜、　６ａ・・・結晶粒界、　６ｂ
・・・多結晶シリコン結晶粒、　７・・・アルミニウム
配線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコン基板上にシリコン基板の表面を部
   分的に露出する絶縁膜を形成する工程と、露出している
   シリコン基板の表面に部分的に、格子定数がシリコンの
   それに近くかつ熱膨張係数がシリコンのそれとは離れて
   いる材料の核を形成する工程と、 前記核の存在しない条件では選択的にエピタキシャル成
   長ができる条件の下でシリコンを成長させ前記露出して
   いるシリコン基板表面に選択的に多結晶シリコンを成長
   させる工程と、 を含む半導体装置の製造方法。
2. （２）単結晶シリコン基板上にシリコン基板の表面を部
   分的に露出する絶縁膜を形成する工程と、露出している
   シリコン基板の表面に部分的に、分子線エピタキシー法
   でアルカリ土類金属弗化物の核を成長させる工程と、 シリコン塩化物および水素を含む混合気体を使用した減
   圧気相成長法またはシリコン水素化物を使用した分子線
   エピタキシー法で前記露出しているシリコン基板表面に
   選択的に多結晶シリコンを成長させる工程と、 を含む半導体装置の製造方法。