JPH06232058A - エピタキシャル半導体構造製造方法 - Google Patents

エピタキシャル半導体構造製造方法

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JPH06232058A
JPH06232058A JP5036266A JP3626693A JPH06232058A JP H06232058 A JPH06232058 A JP H06232058A JP 5036266 A JP5036266 A JP 5036266A JP 3626693 A JP3626693 A JP 3626693A JP H06232058 A JPH06232058 A JP H06232058A
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semiconductor
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 半導体表面上にエピタキシャルな絶縁体・金
属構造を成長させる方法を得る。 【構成】 本発明の方法は、半導体表面を約1×10-7
ミリバールよりも低い圧力に保つこと、前記半導体表面
を約25℃と400℃との間の本質的に固定された第1
の温度に保つこと、ステップ30前記半導体表面上へ第
1の金属層をエピタキシャルに堆積させること、32前
記半導体表面を約25℃と200℃との間の本質的に固
定された第2の温度に調節すること、34前記金属層上
へCaF2 のエピタキシャル堆積を開始すること、36
前記第2の温度を時間を掛けて200℃と500℃との
間の本質的に固定された第3の温度へランプ状に上昇さ
せること、望みの厚さにエピタキシャルCaF2 が堆積
されるまで前記第3の温度を保つこと、そして前記第1
の金属層上へのエピタキシャルCaF2 の堆積を停止す
ること、の工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般的にはCaF2 /金
属/Si、金属/CaF2 /Siそして金属/CaF2
/金属/Si構造のエピタキシャル成長に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】本発明の範囲を限定するものではない
が、半導体デバイスを例にとって本発明の背景について
説明する。
【0003】これまで、当該分野で半導体の上に絶縁体
をエピタキシャル成長させることは、アモルファス絶縁
体によっては実現できない新規なデバイスの他に、金属
・絶縁体・半導体電界効果トランジスタ(MISFE
T)、絶縁体上のシリコン(SOI)技術、三次元集積
回路、等の各種電子デバイスを作製するうえで重要な工
程であった。シリコン上にII族フッ化物をエピタキシ
ャル成長させることは、それが技術的および科学的に興
味深いものであることから広く研究されてきている。こ
の分野で最も有望なものの1つとして、CaF2 /Si
の組み合わせが注目を浴びている。材料を準備する側の
視点から、CaF2 はシリコン上へ堆積するためには、
フッ化物のなかでも適切な選択である。それは良いエピ
タキシャル系としてのいくつかの重要な判断基準、例え
ば格子不整合が小さいとか、同様な立方構造であるとか
の条件を満たしているからである。これまでの研究によ
ってCaF2 /Siの界面の化学的、構造的性質が堆積
条件によって変化し、それらの変化がこの界面を含む系
の電気的特性に大きく影響するということが明らかにな
っている。同時譲渡の米国特許出願第07/704,5
35号は、良い界面特性を得るための重要な特性であ
る、CaF2 膜の方位がシリコン基板のそれと本質的に
同一であることを実現しながら膜成長を行う方法につい
て述べている。
【0004】また、Si上のAlのエピタキシャル成長
も最近注目されている。それは、集積回路の金属配線に
広く使用されている多結晶のAlによって引き起こされ
る信頼性に関する問題を解決するかもしれないからであ
る。最近の研究では単結晶Alのエレクトロマイグレー
ション抵抗が多結晶Alのそれに比べて大幅に優れてい
ることを明らかにしている。単結晶Alを使用した場合
に熱的安定性が向上することも報告されている。絶縁体
上に導体をエピタキシャル成長させることについては同
様な特長が存在する。山田(Yamada)および高木(Taka
gi)は1987年5月号のIEEE Transactions on Elect
ron Devices の第34巻の第5号で、イオン化クラスタ
ビーム(ICB)エピタキシーを用いてエピタキシャル
CaF2上に単結晶Alを成長させることを報告してい
る。ICBは運動エネルギーを持ったイオンを供給する
ための高電界場に頼っており、そのようにすることによ
って低い基板温度での膜のエピタキシャル成長を可能に
している。
【0005】
【発明の概要】イオン化クラスタビームエピタキシーは
現在のところ工業界で広く利用されるまでに至っておら
ず、また比較的複雑な装置を必要とすることから、ここ
で、AlをCaF2 上に堆積させるためには、分子線エ
ピタキシー(MBE)やCVDのような大量生産向きの
技術を用いた方法が望ましいことを確認しておく。更
に、絶縁体上に単結晶金属を成長させる能力だけでな
く、導電体層上に絶縁体をエピタキシャル成長できるこ
とも望まれるところである。金属珪化物上にCaF2
成長させることについては報告があるが、この絶縁体を
Al等の単体金属上へ成長させることについては報告さ
れたことがない。測定は困難であるが、CaF 2 と単体
金属との界面はCaF2 と金属珪化物との界面と比較し
た場合、急峻性の点で優れているように感じられる。C
aF2 のような絶縁体をエピタキシャル単体金属上へ成
長させる能力は、なかんずく金属・絶縁体超格子や共通
ゲートトランジスタを作製するために利用できる金属・
絶縁体・金属のエピタキシャル構造を形成することを可
能にする。CaF2 上へAlをエピタキシャル成長させ
るためにイオン化クラスタビームエピタキシーが使用さ
れたが、この技術に固有な運動エネルギーを持ったイオ
ンは単結晶Al上へのCaF2 のエピタキシャル成長を
邪魔するのではないかと感じられる。それは比較的柔ら
かなAl表面へのCaF2 成長中のイオン衝撃による損
傷効果のためである。
【0006】このように、半導体基板上へ金属・CaF
2 ・金属構造をエピタキシャル成長させるための方法が
必要とされている。更に、単結晶金属上へCaF2 をエ
ピタキシャル成長させ、またエピタキシャルCaF2
へ単結晶金属を堆積させる大量生産向きの方法に対する
需要が存在することも認識されるであろう。本発明はこ
れらの要求に応えることを目的としている。
【0007】一般的に、また本発明の1つの態様とし
て、半導体表面上へ絶縁体・金属構造をエピタキシャル
に成長させる方法は、前記半導体を約1×10-7ミリバ
ールよりも低い圧力に保つこと、前記半導体表面を約2
5℃と400℃との間の本質的に固定された第1の温度
に保つこと、前記半導体表面上へ第1の金属層をエピタ
キシャルに堆積させること、前記半導体表面を約25℃
と200℃との間の本質的に固定された第2の温度に調
節すること、前記金属層上へCaF2 のエピタキシャル
堆積を開始すること、前記第2の温度を時間を掛けて2
00℃と500℃との間の本質的に固定された第3の温
度へランプ状に上昇させること、望みの厚さにエピタキ
シャルCaF2 が堆積されるまで前記第3の温度を保つ
こと、そして前記第1の金属層上へのエピタキシャルC
aF2 の堆積を停止すること、の工程を含んでいる。
【0008】本発明の特長は、明らかなように初めて、
絶縁体・金属・半導体のエピタキシャル構造を形成する
ことができるということである。同様に、本発明は金属
・絶縁体・半導体のエピタキシャル構造を形成でき、更
に明らかなように初めて、金属・絶縁体・金属・半導体
構造を形成できるということである。
【0009】それぞれの図面で共通に用いられている参
照符号や記号は、特に記述がなければ対応する部品を示
している。
【0010】
【実施例】好適実施例のプロセスはすべて、図1に模式
的に示された超高真空システム(例えばVGのSemicon
V80)中で実行される。この真空システムは、分子線
エピタキシー(MBE)チェンバ10、金属化チェンバ
12、そしてCVDチェンバ14で構成されている。ウ
エハは、2つのロードロックを備えた超高真空移送シス
テム16を通ってこれら3つのチェンバ相互間で転送す
ることができる。図2、図3、そして図4に示され、こ
こに述べられる好適実施例プロセスでは、MBEチェン
バと金属化チェンバのベース圧力はそれぞれ1×10
-10 ミリバールと1×10-9ミリバールよりも低い。C
aF2 成長中のチェンバ圧力は5×10 -10 ミリバール
で、Al成長中のプロセス圧力は2×10-9ミリバール
であった。AlまたはCaF2 堆積の前に、Si(11
1)ウエハをMBEチェンバ中で950℃で10分間ア
ニールし、更に10分間、0.01単原子層/秒の割合
でSiフラックスを飛ばすことで清浄なSi(111)
表面が得られる。この清浄化プロセスを評価するため
に、高エネルギー反射電子線回折(RHEED)とオー
ジェ電子分光が用いられた。この清浄化とそれの評価は
図2、図3、そして図4に工程18および20として示
されている。
【0011】図2にプロセス流れ図を示した第1の好適
実施例で、Si(111)基板温度を700℃に調節す
る工程24の後に、MBEを用いてSi(111)上へ
CaF2 膜が堆積された22。CaF2 の結晶性を良く
するためにはCaF2 の堆積の間、基板温度を100℃
から5分間掛けて600℃へランプ状に上昇させ、それ
以後600℃に保っておく。ウエハを金属化チェンバへ
移送した後、25℃と400℃との間の各種温度に設定
しながら28、CaF2 膜上へAl膜が堆積された2
6。Al/CaF2 /Si(111)試料から得たX線
ロッキングカーブ測定結果は、CaF2 (111)/S
i(111)上へ単結晶Al(111)がエピタキシャ
ル成長していることを示している。図5はバルクAlと
比べた場合のAl膜の格子歪みを示し、図6は各種の温
度で成長させた場合のAl膜中のAタイプドメインとB
タイプドメインの割合を示している。図6から明らかな
ように、CaF2 膜に対してAl膜がAタイプとなる温
度は300℃である。”Aタイプ”のエピタキシーとい
うのは基板と同じ結晶方位の膜成長を意味する。”Bタ
イプ”エピタキシーはアジマス回転させた基板の方位と
同一の結晶方位を有する膜成長を意味する。n回対称の
表面に関しては、アジマス回転の角度は360°/2n
または360°/2nに360°/nの倍数を加えたも
のである。Si(111)やCaF2 (111)のよう
な3回対称の表面に関しては、アジマス回転角度は60
°(あるいは180°および300°)である。Aタイ
プの膜の利点は小さい段差の存在する下層上へ成長させ
る時に、Bタイプの膜に比べて一般的に転位密度が小さ
く結晶質も優れていることである。
【0012】図3に示された第2の好適実施例では、S
i基板に対して異なるエピタキシャル関係を持つ膜を得
るために、金属化チェンバ中で基板温度を300℃と4
00℃に設定して32、Al膜を堆積させた30。30
0℃の基板温度の場合、Aタイプの膜が生成し、400
℃ではBタイプの膜が形成された。Al成長の後、ウエ
ハはMBEチェンバへ移送して戻され、成長温度を5分
間に100℃から300℃へランプ状に上昇させながら
Al膜の上にCaF2 を堆積させ34、その後はCaF
2 成長の終了まで300℃に保たれた36。このランプ
状の工程はCaF2 成長の初期に基板温度を下げてAl
とCaF2 との混合を抑制するために採用された。
【0013】第1の好適実施例のプロセスと同様に、試
料に対して室温でのX線回折測定が実施された。図7a
は立方晶系結晶の標準的な(111)投影と、CaF2
/Al/Si(111)試料から検出されたSi(11
1)、CaF2 (111)、そしてAl(111)のピ
ークのX線ロッキングカーブを示す。図7bは300℃
でAlを成長させたCaF2 /Al/Si(111)試
料から検出されたAl(113)、CaF2 (22
4)、そしてSi(224)のロッキングカーブを示
す。X線回折をSi基板の<001>方向(アジマス角
度φ=0°)に沿って測定した時、Al(113)、C
aF2 (224)、そしてSi(224)ピークが観測
された。これに対して、試料を表面の法線の周りに18
0°回転させた時(φ=180°)同じブラッグ角度に
ピークは観測されなかった。これらのロッキングカーブ
はAlとCaF2 膜のいずれもが”Aタイプ”のエピタ
キシャル条件で成長していることを示している。図7c
はAlを400℃で成長させた時のCaF2 /Al/S
i(111)試料から取られたロッキングカーブを示
す。Si<001>のアジマス方向(φ=0°)に沿っ
てはAl(113)およびCaF2 (224)のいずれ
のピークも観測されないが、試料を表面法線の周りで1
80°回転させると両ピークが観測される。この結果は
AlとSiとの間の結晶関係は”Bタイプ”であるが、
それでもCaF2 の結晶方位はAl膜と同一の(Aタイ
プ)ものとなっていることを示している。基板からのS
i(111)ピークを基準とすることで、[111]方
向に沿っての面間隔を計算するためにAl(111)の
正確なブラッグ角を得ることができる。Si(111)
上へ成長したAl(111)の格子歪みは300℃と4
00℃とで、それぞれ0.08%と0.29%(引っ張
り応力)である。CaF2 の成長の後、Al膜の格子歪
みは0.02%と0.17%(引っ張り)である。
【0014】これらの膜の結晶性を見積もるために、対
称な(111)反射曲線の半価幅(FWHM)が用いら
れた。同じ厚さの膜については、より小さいFWHMは
結晶性が優れていることを意味する。Al(111)ロ
ッキングカーブのFWHMは400−600秒(角度)
程度であり、CaF2 /Al/Si(111)構造から
得られたAl(111)ピークのFWHMは1000−
1800秒(角度)の間にある。このことはAlの結晶
性がCaF2 の成長によって劣化したことを示す。これ
に対して、CaF2 /Al/Si(111)構造から得
られたCaF2(111)ピークのFWHMは2400
秒(角度)程度である。この値は300℃でSi(11
1)上へ成長された同じ厚さのCaF2 膜の典型的なF
WHM(2250秒(角度))に近い。
【0015】図4に示された第3の好適実施例では、S
i基板に対して異なるエピタキシャル関係の膜を得るた
めに、Al膜は金属化チェンバ中で300℃と400℃
とに設定されて40、堆積された38。Al成長の後、
ウエハはMBEチェンバへ移送して戻され、5分間で成
長温度を100℃から300℃へランプ状に上昇させ、
その後はCaF2 成長が終了するまで300℃に保つこ
とによって44、Al膜の上にCaF2 が堆積された4
2。次にウエハは金属化チェンバへ戻され、CaF2
の上へAlのエピタキシャル堆積が行われた46。Ca
2 の堆積速度は4nm/分で、蒸発セルの温度は11
50℃である。この実験で用いられたAl膜とCaF2
膜の厚さはそれぞれ、300−500nmと100−2
00nmである。図8は前記第3の好適実施例プロセス
で形成されたエピタキシャルな、金属48、CaF2
0、金属52、半導体54構造の断面図である。
【0016】以上、数例の好適実施例について詳細に説
明してきた。ここに述べなかったが本発明の特許請求の
範囲には含まれるといったその他の実施例が可能である
ことは理解されよう。含むという表現は本発明の範囲を
意味する場合、非排他的に解釈されるべきである。
【0017】本発明はここに例示した好適実施例に関し
て説明したが、この説明は限定的な意図のものではな
い。特に、好適実施例の説明で(111)方位のシリコ
ンを用いたことは、他の方位では本発明の恩恵に与れな
いということを意味するものではない。また、好適実施
例の説明で分子線エピタキシー(MBE)を用いたこと
は、本発明の方法が例えばCVDのような中性のビーム
エピタキシー(すなわち、運動エネルギーを持つイオン
に頼らないエピタキシー)のその他の態様によっては実
現できないことを意味するものではない。ここに例示し
た実施例の各種の修正や組み合わせは、本発明のその他
の実施例とともに、本明細書を参考にすることで当業者
には明かであろう。従って、本発明の特許請求の範囲は
それらの実施例や修正をすべて包含するものと解釈すべ
きである。
【0018】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1)半導体表面上へ絶縁体・金属のエピタキシャルな
成長を実現するための方法であって:前記半導体表面を
約1×10-7ミリバールより低い圧力に保つこと、前記
半導体表面を約25℃と400℃との間の本質的に固定
された第1の温度に保つこと、前記半導体表面上へ第1
の金属層をエピタキシャルに堆積すること、前記半導体
表面を約25℃と200℃との間の本質的に固定された
第2の温度に調節すること、前記エピタキシャルな第1
の金属層の上へCaF2 のエピタキシャルな堆積を開始
すること、前記第2の温度を約200℃と500℃との
間の本質的に固定された第3の温度へ時間を掛けてラン
プ状に上昇させること、前記エピタキシャルCaF2
望みの厚さに堆積するまで前記第3の温度を保つこと、
前記エピタキシャルな第1の金属層上のエピタキシャル
CaF2 の前記堆積を停止して、それによってエピタキ
シャルな、絶縁体・金属・半導体の構造を形成するこ
と、の工程を含む方法。
【0019】(2)第1項記載の方法であって、前記圧
力が2×10-9ミリバールより低い圧力である方法。
【0020】(3)第1項記載の方法であって、前記第
1の温度が300℃である方法。
【0021】(4)第1項記載の方法であって、前記エ
ピタキシャルな第1の金属層がAlである方法。
【0022】(5)第1項記載の方法であって、前記本
質的に固定された第2の温度が100℃である方法。
【0023】(6)第1項記載の方法であって、前記第
3の本質的に固定された温度が300℃である方法。
【0024】(7)第1項記載の方法であって、前記時
間が5分間である方法。
【0025】(8)第1項記載の方法であって、前記エ
ピタキシャルなCaF2 の堆積が4nm/分の速度で行
われる方法。
【0026】(9)第1項記載の方法であって、前記半
導体基板を約25℃と400℃との間の本質的に固定さ
れた温度に調節し、エピタキシャルな第2の金属層を前
記エピタキシャルなCaF2 層上へ堆積させる工程を含
む方法。
【0027】(10)第9項記載の方法であって、前記
本質的に固定された温度が300℃である方法。
【0028】(11)第9項記載の方法であって、前記
エピタキシャルな第2の金属層がAlである方法。
【0029】(12)半導体表面へエピタキシャルなC
aF2 と金属を成長させるための方法であって:すべて
のプロセス工程を1×10-7ミリバールより低い圧力で
実行すること、前記半導体表面を約25℃と800℃と
の間の第1の温度に保つこと、中性ビームエピタキシー
を用いて前記半導体表面上へエピタキシャルなCaF 2
を堆積すること、前記半導体表面を約25℃と400℃
との間の本質的に固定された第2の温度に調節するこ
と、前記CaF2 上へエピタキシャルな金属を堆積し、
それによってエピタキシャルな、金属・絶縁体・半導体
の構造を形成すること、の工程を含む方法。
【0030】(13)第12項記載の方法であって、前
記圧力が2×10-9ミリバールよりも低い圧力である方
法。
【0031】(14)第12項記載の方法であって、前
記金属がAlである方法。
【0032】(15)第12項記載の方法であって、前
記第1の温度が700℃である方法。
【0033】(16)第12項記載の方法であって、前
記第1の温度が時間を掛けて100℃から600℃へラ
ンプ状に上昇させられ、次にそこに本質的に固定される
ようになった方法。
【0034】(17)第16項記載の方法であって、前
記時間が5分間である方法。
【0035】(18)第12項記載の方法であって、前
記中性ビームエピタキシーが分子線エピタキシーである
方法。
【0036】(19)第12項記載の方法であって、前
記本質的に固定された第2の温度が300℃である方
法。
【0037】(20)第12項記載の方法であって、前
記半導体がSiである方法。
【0038】(21)半導体上の金属上のエピタキシャ
ルCaF2 構造。
【0039】(22)第21項記載の構造であって、前
記CaF2 層の上に更にエピタキシャルな金属層が形成
された構造。
【0040】(23) 本発明の1つの態様において、
半導体表面上にエピタキシャルな絶縁体・金属構造を成
長させるための方法は、前記半導体を約1×10-7ミリ
バールよりも低い圧力に保つこと、前記半導体表面を約
25℃と400℃との間の本質的に固定された第1の温
度に保つこと、30前記半導体表面上へ第1の金属層を
エピタキシャルに堆積させること、32前記半導体表面
を約25℃と200℃との間の本質的に固定された第2
の温度に調節すること、34前記金属層上へCaF2
エピタキシャル堆積を開始すること、36前記第2の温
度を時間を掛けて200℃と500℃との間の本質的に
固定された第3の温度へランプ状に上昇させること、望
みの厚さにエピタキシャルCaF2 が堆積されるまで前
記第3の温度を保つこと、そして前記第1の金属層上へ
のエピタキシャルCaF2 の堆積を停止すること、の工
程を含んでいる。その他のデバイス、システム、そして
方法についても開示されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】超高真空システムの模式図。
【図2】本発明の第1の好適実施例の方法のプロセス流
れ図。
【図3】本発明の第2の好適実施例の方法のプロセス流
れ図。
【図4】本発明の第3の好適実施例の方法のプロセス流
れ図。
【図5】バルクのAlに対するAl膜の格子歪みを示す
図。
【図6】温度に対するAlのタイプを示す図。
【図7】aは立方晶系結晶の(111)標準投影とCa
2 /Al/Si(111)試料から検出されたSi
(111)、CaF2 (111)、そしてAl(11
1)のX線ロッキングカーブ。bは300℃でAlを成
長させたCaF2 /Al/Si(111)試料から検出
されたAl(113)、CaF2 (224)、そしてS
i(224)のロッキングカーブ。cは400℃でAl
を成長させたCaF2 /Al/Si(111)試料から
得られたロッキングカーブ。
【図8】エピタキシャルな金属・CaF2 ・金属・半導
体構造の断面図。
【符号の説明】 10 MBEチェンバ 12 金属化チェンバ 14 CVDチェンバ 16 超高真空移送システム 48 金属 50 CaF2 52 金属 54 半導体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体表面上へ絶縁体・金属のエピタキ
    シャルな成長を実現するための方法であって:前記半導
    体表面を約1×10-7ミリバールより低い圧力に保つこ
    と、 前記半導体表面を約25℃と400℃との間の本質的に
    固定された第1の温度に保つこと、 前記半導体表面上へ第1の金属層をエピタキシャルに堆
    積すること、 前記半導体表面を約25℃と200℃との間の本質的に
    固定された第2の温度に調節すること、 前記エピタキシャルな第1の金属層の上へCaF2 のエ
    ピタキシャルな堆積を開始すること、 前記第2の温度を約200℃と500℃との間の本質的
    に固定された第3の温度へ時間を掛けてランプ状に上昇
    させること、 前記エピタキシャルCaF2 が望みの厚さに堆積するま
    で前記第3の温度を保つこと、 前記エピタキシャルな第1の金属層上のエピタキシャル
    CaF2 の前記堆積を停止して、それによってエピタキ
    シャルな、絶縁体・金属・半導体の構造を形成するこ
    と、の工程を含む方法。
  2. 【請求項2】 半導体上の金属上のエピタキシャルCa
    2 構造。
JP5036266A 1992-02-25 1993-02-25 エピタキシャル半導体構造製造方法 Pending JPH06232058A (ja)

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