JPH04256310A - 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】

【０００１】〔発明の目的〕

【産業上の利用分野】本発明はＳｉ（シリコン）基板上
に開口部を有する絶縁層が被着されたものにおいてＳｉ
を上記開口部内に位置するＳｉ基板表面にのみ成長させ
る選択気相成長法に使用される半導体装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】選択気相成長法は、例えば、Ｓｉ基板上
に厚い酸化膜（ＳｉＯ２　）層が形成され、さらにフォ
トリソグラフィおよびエッチングにより絶縁層にＳｉ基
板表面が露出する開口部が形成されたものを被処理基板
とし、この基板における上記開口部内にＳｉを埋込む場
合に使用される。

【０００３】図５は従来の選択気相成長の処理プロセス
を説明するための被処理基板の工程別断面図である。ま
ず、被処理基板にＨＦ処理を行って酸化膜を薄くエッチ
ングし、次いで、被処理基板の純水洗浄を行なう。図５
（ａ）はその純水洗浄後の被処理基板の状態を示すもの
である。この図５（ａ）において、２１はＳｉ基板であ
り、このＳｉ基板２１上には熱酸化による厚い絶縁膜２
２が被着され、さらにこの絶縁膜２２には上記フォトリ
ソグラフィおよびエッチングによる開口部２３が形成さ
れている。純水洗浄処理の際、使用した純水中の溶存酸
素によりＳｉ基板２１上が酸化される。２４はその結果
生成された自然酸化膜である。この純水洗浄の後、処理
装置にその被処理基板をセットするウェーハロードを行
う。このように被処理基板がセットされた状態で反応室
内を昇温するとともに、例えばＨ２　雰囲気中に被処理
基板を晒す。これにより、ＨＦ処理、純水洗浄、ウェー
ハロード等の過程において生成された自然酸化膜を完全
に除去した後、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　（ジクロルシラン）
、ＳｉＨ４　（モノシラン）、ＳｉＨＣｌ３　（三塩化
シラン）、ＳｉＣｌ４　（四塩化シリコン）等の原料ガ
ス、ＨＣｌ及びキャリアガスとしてのＨ２　を用い、開
口部２３内のＳｉ基板２１表面上の気相成長処理を行う
。この気相成長処理の結果、開口部２３内にＳｉ単結晶
が堆積され、被処理基板は図５（ｂ）に示すような状態
となり、Ｓｉ端結晶からなる成長層２５を開口部内に埋
込むことができる。

【０００４】しかしながら、このようにして単結晶を成
長させると、単結晶Ｓｉの気相成長に特有のファセット
と呼ばれる成長層２５の表面にピラミッド形の凸凹が形
成される。このため、このＳｉの選択気相成長をコンタ
クト埋込みに応用し、コンタクト部に単結晶Ｓｉを埋込
んだ場合、ファセットにより埋込み層表面に凸凹が生ず
る。そして、コンタクト埋込み後、スパッタ等を用いて
金属配線を行った際、上記凸凹により段差部で配線の段
切れが生じ、Ｓｉの選択成長をコンタクト埋込みに応用
するには実用上問題があった。

【０００５】この単結晶成長で生じるファセットによる
凸凹の問題を解決し埋込み層表面を平坦化させる方法と
しては、多結晶Ｓｉを成長させることが考えられる。こ
れは、気相成長処理前にＳｉ表面に自然酸化膜を残した
状態で選択気相成長を行うことにより実現される。

【０００６】しかしながら、多結晶Ｓｉの成長状態は自
然酸化膜の膜厚等により大きく影響を受ける。また、こ
の自然酸化膜は処理条件の影響を強く受け、例えば、薬
品処理後の純水洗浄時の純水溶存酸素の影響を強く受け
るのである。このため、自然酸化膜を制御することは困
難である。このような理由により、成長膜厚で良好な再
現性、均一性を実現するのは難しく、自然酸化膜制御に
より多結晶Ｓｉの選択成長は実用上困難であった。また
、ＨＣｌ、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　の濃度によっては多結晶
が成長する場合と単結晶が成長する場合とが存在し、多
結晶Ｓｉを確実に選択成長させることは現行の技術では
不十分であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の選
択気相成長法にあっては、多結晶Ｓｉを選択成長させる
ことが困難であった。本発明は、このような実情に鑑み
てなされたもので、その目的とするところは、選択気相
成長法により確実に且つ制御性良好に選択的に多結晶Ｓ
ｉを成長させることができる半導体装置の製造方法を提
供することにある。

【０００８】〔発明の構成〕

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、シリコン基板表面が底部を構成する開口部を
持つ絶縁層がシリコン基板表面に被着され且つ上記シリ
コン基板表面における開口部内に位置する箇所に平均膜
厚が０．１オングストローム以上３オングストローム以
下の自然酸化膜が形成された被処理基板を製造する被処
理基板製造工程と、水素ガス、塩酸ガス、ジクロルシラ
ン（ＳｉＨ２　Ｃｌ２　）ガスを含み、塩酸ガスの濃度
をＣ１　、シリコン材料ガスの濃度をＣ２　としたとき
両ガスの濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　）を３以下とし、この
濃度比に応じて圧力条件を定めた反応炉内で、材料ガス
が分解するのに必要な温度以上であって且つ１０００〔
°Ｃ〕以下の温度条件にして被処理基板に対し気相成長
処理を行う気相成長処理工程とを含むことを特徴とする
。

【０００９】請求項２記載の半導体装置の製造方法は、
その被処理基板製造工程が、反応炉内のガスエッチング
法により自然酸化膜を除去する工程と、同一炉内で改め
て０．１オングストローム以上３オングストローム以下
の自然酸化膜を形成する工程とを含んでいることを特徴
とする。

【００１０】

【作用】上記のように条件設定し気相成長処理を行うと
、確実に多結晶Ｓｉを成長させることができる。

【００１１】まず、塩酸ガスは絶縁層表面上に多結晶シ
リコンを成長させないために使用されるものであるが、
この塩酸ガスとシリコン材料ガスとの濃度比（Ｃ１　／
Ｃ２　）が３を越える値になると、絶縁層表面のみなら
ず開口部内のシリコン基板表面にまでもその多結晶シリ
コンに対する成長抑制作用が働き、多結晶シリコンを成
長させることができなくなる。図２に示すように濃度比
（Ｃ１　／Ｃ２　）＞３．５になると、気相成長に入っ
ても塩酸ガス濃度の高さがゆえに多結晶シリコンの成長
が抑制され、図３に示すように、この間にシリコン基板
表面の自然酸化膜が除去されてしまい単結晶シリコンが
成長してしまう。

【００１２】なお、図２を見ると分かるように、濃度比
が低いほどＳｉ析出密度が高く、対応して図３に示すよ
うに濃度比が低いほど多結晶Ｓｉの成長速度が速い。そ
して、濃度比３を境にしてＳｉ析出が著しく押さえられ
、多結晶Ｓｉの成長は押さえられて単結晶Ｓｉが成長し
ているのが分かる。

【００１３】濃度比の条件としては上限値しか示してい
ないが、塩酸が無くても次述する圧力条件との関連で絶
縁層表面にシリコンを成長させないようにすることがで
きるからある。

【００１４】圧力条件は、この濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　
）に応じて定められ、例えば、濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　
）が３であれば、圧力は５０Ｔｏｒｒとなり、濃度比が
下がるにつれ圧力条件をも低くする。上記したように塩
酸が無い場合には非常に低い値となり、５Ｔｏｒｒ程度
となる。つまり、圧力条件を数値で言うとするならば、
濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　）に関連して、５０Ｔｏｒｒ以
下と言える。なぜなら、図４に示すように、圧力が必要
以上に高いと、絶縁層表面上にシリコンの析出が生じ、
選択成長ができなくなるからである。

【００１５】次に、温度条件の下限は材料ガスが分解す
るのに必要な温度であることだが、１０００〔°Ｃ〕以
下という上限の意味は、１０００〔°Ｃ〕を越える値に
なると、昇温中に自然酸化膜が除去されてしまい、多結
晶シリコンは成長せず、単結晶シリコンが成長すること
となってしまうからである。

【００１６】したがって、以上のように気相成長処理を
施すことで、確実に多結晶シリコンを成長させることが
できる。

【００１７】また、上記膜圧の自然酸化膜を生成するに
あたっては、反応炉内のガスエッチング法により既存の
自然酸化膜を除去してから改めて自然酸化膜を形成する
ことにより、自然酸化膜の膜厚制御が確実にできる。こ
こで、９００℃、３０ＴｏｒｒでＨ２　中でのＳｉＯ２
　のエッチングレートは０．２オングストローム／ｍｉ
ｎ　であり、よって２０分の熱処理で４オングストロー
ムのＳｉＯ２　が除去できる。

【００１８】なお、実際には、この０．１〜３オングス
トロームの自然酸化膜は均一には存在せず、シリコン自
体が露出している部分も存在する場合がある。この場合
、シリコンの露出した箇所からシリコンの堆積が始まり
、このシリコンは単結晶シリコンであるが、自然酸化膜
上では多結晶化してしまい、結果的には多結晶シリコン
が成長することとなる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。図１は本発明による処理プロセスを説明
するための被処理基板の工程別断面図である。この図１
（ａ）は、Ｓｉ基板１１上に厚い酸化膜（ＳｉＯ２　）
による絶縁層１２が形成され、さらにフォトリソグラフ
ィおよびエッチングにより、この絶縁層１２にＳｉ基板
１１表面が露出する開口部１３が形成され、その開口部
１３内においてＳｉ基板１１表面上に０．１〜３オング
ストロームの自然酸化膜１４が形成された被処理基板を
示している。また、図１（ｂ）は、開口部１３内におい
てＳｉ基板１１表面上に自然酸化膜１４を残して多結晶
Ｓｉ成長層１５が形成されているものを示している。

【００２０】まず、実施例として次の二つのプロセスで
被処理基板開口部へのシリコン埋込み処理を行った。 〈実施例１〉（１００）Ｓｉ基板表面に０．５μｍのＳ
ｉＯ２　層を形成し、フォトリソグラフィにより０．６
〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基板に１：２
００のＨＦ処理を行い、その後の純水洗浄処理の際、純
水中溶存酸素濃度を制御して開口部内Ｓｉ基板表面に２
〜３オングストロームの自然酸化膜を形成し、被処理基
板を図１（ａ）に示す状態にした。つまり、このＨＦ処
理や純粋洗浄処理が請求の範囲で言う被処理基板製造工
程の一部を構成している。そして、この被処理基板を炉
内にセットし、Ｈ２　雰囲気中で９００°Ｃまで昇温し
、昇温後、直ちに、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　，ＨＣｌ　を用
い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］＝０．１％，［ＨＣｌ　］
＝０．２％、キャリアガスＨ２　にて圧力１０Ｔｏｒｒ
で気相成長を行い、最後に降温処理した。

【００２２】〈実施例２〉（１００）Ｓｉ基板表面に０
．５μｍのＳｉＯ２層を形成し、フォトリソグラフィに
より０．６〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基
板に１：２００のＨＦ処理を行い、その後純水洗浄処理
を行う。次に、そして、この被処理基板に対し、Ｈ２　
雰囲気中で９００°Ｃまで昇温し、水分温度を２０ｐｐ
ｂ以下にして２０分放置し、被処理基板上の既存の自然
酸化膜を一度完全に除去し、この後、水分濃度１０ｐｐ
ｍのＨ２　雰囲気に５分放置し、再度、自然酸化膜を形
成して図１（ａ）に示す状態にした後、ＳｉＨ２　Ｃｌ
２　，ＨＣｌ　を用い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］＝０．
１％，［ＨＣｌ　］＝０．２％、キャリアガスＨ２　に
て圧力１０Ｔｏｒｒで気相成長を行い、最後に降温処理
した。この場合、純水洗浄処理の際において純水中溶存
酸素濃度を制御するか否かは自然酸化膜除去の際の条件
との兼合いによる。つまり、純水洗浄処理において生成
される自然酸化膜を自然酸化膜除去処理で確実に除去で
きれば、特に制御する必要はなく、そうでなければ、確
実に除去できる膜圧に押さえるべく純水中溶存酸素濃度
を制御すれば良い。

【００２２】以上が実施例であるが本発明における指定
条件とは外れる条件についても気相成長処理を行ってい
るので、これを比較例として次に示す。

【００２３】〈比較例１〉（１００）Ｓｉ基板表面に０
．５μｍのＳｉＯ２層を形成し、フォトリソグラフィに
より０．６〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基
板に１：２００のＨＦ処理を行い、通常の純水を用いて
洗浄処理を行い、開口部のＳｉ基板表面上に５オングス
トロームの自然酸化膜を形成し、これに対し、Ｈ２　雰
囲気中で９００°Ｃまで昇温し、昇温後、直ちに、Ｓｉ
Ｈ２　Ｃｌ２　，ＨＣｌ　を用い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２
　］＝０．１％，［ＨＣｌ　］＝０．２％、キャリアガ
スＨ２　にて圧力１０Ｔｏｒｒで気相成長を行った（つ
まり、気相成長処理条件は実施例１と同じ）。

【００２４】〈比較例２〉（１００）Ｓｉ基板表面に０
．５μｍのＳｉＯ２層を形成し、フォトリソグラフィに
より０．６〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基
板に１：２００のＨＦ処理を行い、実施例１で用いた純
水中での洗浄時間を１０秒以下として自然酸化膜を０．
１オングストローム未満とし、これに対し、Ｈ２　雰囲
気中で９００°Ｃまで昇温し、昇温後、直ちに、ＳｉＨ
２　Ｃｌ２　，ＨＣｌ　を用い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　
］＝０．１％，［ＨＣｌ　］＝０．２％、キャリアガス
Ｈ２　にて圧力１０Ｔｏｒｒで気相成長を行った（つま
り、気相成長処理条件は実施例１と同じ）。

【００２５】〈比較例３〉（１００）Ｓｉ基板表面に０
．５μｍのＳｉＯ２層を形成し、フォトリソグラフィに
より０．６〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基
板に１：２００のＨＦ処理を行い、その後の純水洗浄処
理の際、純水中溶存酸素濃度を制御して開口部内Ｓｉ基
板表面に２〜３オングストロームの自然酸化膜を形成し
、被処理基板を図１（ａ）に示す状態にした。そして、
この被処理基板に対し、Ｈ２　雰囲気中で９００°Ｃま
で昇温し、昇温後、直ちに、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　，ＨＣ
ｌ　を用い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］＝０．１％，［Ｈ
Ｃｌ　］＝０．３５％、キャリアガスＨ２　にて圧力１
０Ｔｏｒｒで気相成長を行った。

【００２６】〈比較例４〉（１００）Ｓｉ基板表面に０
．５μｍのＳｉＯ２層を形成し、フォトリソグラフィに
より０．６〜２．０μｍ径の開口部を形成した。この基
板に１：２００のＨＦ処理を行い、その後の純水洗浄処
理の際、純水中溶存酸素濃度を制御して開口部内Ｓｉ基
板表面に２〜３オングストロームの自然酸化膜を形成し
、被処理基板を図１（ａ）に示す状態にした。つまり、
このＨＦ処理や純粋洗浄処理が請求の範囲で言う被処理
基板製造工程の一部を構成しており、いる。そして、こ
の被処理基板に対し、Ｈ２　雰囲気中で９００°Ｃまで
昇温し、昇温後、直ちに、ＳｉＨ２　Ｃｌ２　，ＨＣｌ
　を用い、［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］＝０．１％，［ＨＣ
ｌ　］＝０．２％、キャリアガスＨ２　にて圧力を１０
Ｔｏｒｒを越える値にして気相成長を行った。

【００２７】以上のような処理を行った結果、〈実施例
１〉及び〈実施例２〉では開口部１３の基板１１表面上
に図１（ｂ）に示すように多結晶Ｓｉ成長層１５が形成
された。

【００２８】これに対し、〈比較例１〉では開口部内に
はＳｉの成長は見られなかった。これは、気相成長前に
残した自然酸化膜が５オングストロームと厚く、この酸
化膜のため、Ｓｉの成長が妨げられたためである。また
、〈比較例２〉では開口部内に単結晶Ｓｉが成長してい
た。これは、開口部内自然酸化膜が薄く、昇温中に完全
に除去されてしまったため、単結晶Ｓｉが成長したもの
である。

【００２９】さらに、〈比較例３〉では開口部内に単結
晶Ｓｉが成長した。これは、気相成長前に残す自然酸化
膜が０．１〜３オングストロームであっても、［ＨＣｌ
］濃度が高い場合、Ｓｉの成長が始まる前に自然酸化膜
が除去されて、単結晶Ｓｉが成長することとなるためで
ある。

【００３０】そして、〈比較例４〉では絶縁層表面上に
Ｓｉの析出が多数生じ、選択成長とは言えないものとな
っていた。

【００３１】以上のように、選択的に多結晶Ｓｉを成長
させる場合、気相成長前の自然酸化膜の膜厚制御が重要
であるが、それだけでは多結晶Ｓｉの選択成長に対し不
十分であり、本発明のように自然酸化膜制御と共に成長
条件を制御することが重要であり、これによって、選択
的な多結晶Ｓｉの成長が可能になる。

【００３２】また、〈実施例１〉では自然酸化膜を制御
するのに純水中の溶存酸素を制御したが、これにより生
ずる自然酸化膜の膜厚はばらつきが出やすい。これを解
決するには〈実施例２〉のように、一度、洗浄処理直後
の既存の自然酸化膜を除去し、Ｈ２　中の水分濃度を管
理し、再度、酸化膜を形成するという方法により、確実
に自然酸化膜の制御が可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、０
．１〜３オングストロームの自然酸化膜を残した状態で
塩酸ガスとジクロルシラン（ＳｉＨ２　Ｃｌ２　）ガス
との濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　）を３以下とし、これに応
じて圧力を設定し、温度条件を材料ガスが分解するのに
必要な温度以上で且つ１０００〔°Ｃ〕以下として気相
成長処理を行うことにより、確実に多結晶Ｓｉを成長さ
せることができる。

【００３４】また、上記膜圧の自然酸化膜を生成するに
あたっては、反応炉内のガスエッチング法により既存の
自然酸化膜を除去してから改めて自然酸化膜を形成する
ことにより、自然酸化膜の膜厚制御が確実にできる。

【００３５】これにより、本発明をコンタクト埋込みに
応用した場合、従来技術ではファセットによる段差によ
り埋込み後の配線工程で生じていた段切れの問題が解消
され、配線不良による歩留まり低下を防止することがで
きた。これは特に口径１μｍ以下、アスぺクト比１以上
のコンタクトに対し効果が顕著であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明による半導体装置の製造方法を説明
するための被処理基板の工程別断面図である。

【図２】　　ＳｉＯ２　絶縁層上のＳｉ析出の濃度比（
［ＨＣｌ］／［ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］に対する依存性を
示す実験データグラフである。

【図３】　　Ｓｉの成長速度の濃度比（［ＨＣｌ］／［
ＳｉＨ２　Ｃｌ２　］に対する依存性を示す実験データ
グラフである。

【図４】　　ＳｉＯ２　絶縁層上のＳｉ析出密度の圧力
に対する依存性を示す実験データグラフである。

【図５】　　従来の半導体装置の製造方法を説明するた
めの被処理基板の工程別断面図である。

【符号の説明】

１１　　Ｓｉ基板 １２　　ＳｉＯ２　絶縁層 １３　　開口部 １４　　自然酸化膜 １５　　多結晶Ｓｉ成長層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板表面が底部を構成する開口部
   を持つ絶縁層が該シリコン基板表面に被着され且つ前記
   シリコン基板表面における前記開口部内に位置する箇所
   に平均膜厚が０．１オングストローム以上３オングスト
   ローム以下の自然酸化膜が形成された被処理基板を製造
   する被処理基板製造工程と、水素ガス、塩酸ガス、ジク
   ロルシラン（ＳｉＨ２　Ｃｌ２　）ガスを含み、前記塩
   酸ガスの濃度をＣ１　、前記シリコン材料ガスの濃度を
   Ｃ２　としたとき両ガスの濃度比（Ｃ１　／Ｃ２　）を
   ３以下とし、この濃度比に応じて圧力条件を定めた反応
   炉内で、前記材料ガスが分解するのに必要な温度以上で
   あって且つ１０００〔°Ｃ〕以下の温度条件にして前記
   被処理基板に対し気相成長処理を行う気相成長処理工程
   と、を含む半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】被処理基板製造工程は、反応炉内のガスエ
   ッチング法により自然酸化膜を除去する工程と、同一炉
   内で改めて０．１オングストローム以上３オングストロ
   ーム以下の自然酸化膜を形成する工程と、を含む半導体
   装置の製造方法。