JPS5852342B2 - 基体上に珪化金属の層を設ける方法 - Google Patents

基体上に珪化金属の層を設ける方法

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JPS5852342B2
JPS5852342B2 JP53065023A JP6502378A JPS5852342B2 JP S5852342 B2 JPS5852342 B2 JP S5852342B2 JP 53065023 A JP53065023 A JP 53065023A JP 6502378 A JP6502378 A JP 6502378A JP S5852342 B2 JPS5852342 B2 JP S5852342B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基体上に珪化モリブデン、珪化タンタル、珪化
ロジウム及び珪化タングステンのような珪化金属の層を
設けることに関するものである。
本発明の方法はドープされたシリコン及びドープされた
多結晶シリコンのような半導体基体上に珪化金属の層を
設けるのに摩りわけ有効である。
多結晶シリコンは集積回路の相互接続材料として近年広
く使用されるに至った。
多結晶シリコンは高温(ζ於て極めて安定であり且つ二
酸化シリコンをその上(こ化学的に蒸着或は熱生長しう
るので好適である。
多結晶シリコン相互接続は電荷結合デバイス(CCD)
排列、論理排列、単体記憶セル排列のような種々の形式
の集積回路適用例に用いられてきた。
多結晶シリコンの好ましくない特徴はその電気的抵抗が
比較的高いことである。
デバイスの寸法を縮小することにより集積回路の性能を
向上させようとした試みは完全には成功していない。
何故ならば相互接続線のIR電圧降下は動作(こ適した
電圧レベルが下げられてもその割には減少しないからで
ある。
従って回路の動作速度の増加を得るためには多結晶シリ
コン相互接続の面積抵抗を減少させることが望ましい。
モリブデン及びタングステンのような種々の耐火金属(
高温に耐える金属)は多結晶シリコンの代りに使えるこ
とが示唆されている。
しかしこれらの金属は二酸化シリコンの化学的蒸着最中
に酸化してしまう。
しかもこれらの酸化物は二酸化シリコンよりも安定性が
低いので完敗された集積回路の信頼性の問題を提起する
そのような耐火金属を単独で用いることにより提起され
る問題を克服する試みとして、多結晶シリコン層の一部
分を成る種の金属の珪化物の層と置換することが提案さ
れた。
例えばIBMTechnical Disclosur
e Bulletin第17巻6号(1974年11月
発行)第1831乃至1833頁には、多結晶シリコン
の頂上にハフニウムを付着し然る後加熱してハフニウム
と多結晶シリコンを反応させることにより得られた珪化
ハフニウムの使用が提案されている。
そればかりか、そのような目的の他の候補として取りわ
け、珪化クンタル、珪化タングステン及び珪化モリブデ
ンなどがあることを示唆している。
更に回路の線が化学的蒸着酸化物で被覆されうろことも
示唆している。
米国特許第3381182号は前述と同様な方法1こよ
り、即ち化学的蒸着により塩化モリブデン及びシランの
水素還元を介して多結晶シリコン上に珪化モリブデンを
形成することを提案している。
シリコンを含有する基体上にタングステンをスパッタリ
ングし次に珪化物を形成させるために加熱することによ
り、珪化タングステンを含む種々の珪化物を形成する別
の方法がフランス特許第2250198号及びJour
nal Electrochemical 5ocie
ty (1975年2月発行)第262乃至269頁
に掲載されたV、 Kumar氏の論文Sol 1d−
8tate 5cience and Technol
ogy−Fabrication and Therm
al 5tabilityof W−8i Ohmic
Contacts に見られる。
しかし提案されたスパッタリング技術は沢山の不都合に
悩まされる。
取りわけ珪化物の組成を正確に変える能力に制限がある
更にスパッタリング技術を用いるときは、珪化物を含む
べきでない所望の領域から金属を除去するために食刻を
利用することが不可欠である。
従って本発明の目的は珪化物の組成を正確に制御するこ
と及び変更することが可能である所の耐火金属の珪化物
を形成する方法を提供することである。
本発明の他の目的は更にマスキング工程を要する複雑な
食刻処理と異って溶媒を用いる簡単な「リフトオフ(1
ift−off ) 方法」により基体上の所望領域
から珪化物を除去しうる方法を提供することである。
本発明碓基体上に珪化金属の層を設けることに関する。
その金属はモリブデン、タンタル、タングステン、ロジ
ウム及びそれらの混合物である。
珪化金属は所望の基体上に上記金属のうちの1つ及びシ
リコンを一緒に「共同蒸着」しそれに続いてその被覆さ
れた基体を熱処理することにより形成される。
それに加えて、高温度の熱酸化によりその珪化物層の上
に二酸化シリコン層を形成することが可能である。
熱酸化により集積回路用(こ十分な厚さの酸化物を形成
できるかどうかは、バルク状(bulk、塊状)の珪化
物に関する従来の知識からは明らかでない。
例えばバルク状の二珪化モリブデン及び二珪化タングス
テンは優れた酸化耐性を持つことが知られている。
これは例えば第4回International Ch
emical Vapor Depo −5ition
Conference、E、C,S、誌(1973年
10月発行)に掲載されたLo氏らのrAcVDStu
dy of the Tungsten−8illic
onSystem jと題する論文及び「Engine
eringProperties of 5elect
ed CermicMaterials JThe A
merican CeramicSoc i ety
+ Inc、+発行第5.7.3−10頁を参照された
い。
特に二珪化モリブデンに関しては、フィルム形成に使用
される酸素の量により60分間で10μmの厚さの酸化
物が1050℃で形成されるであろうことを酸化率に基
づいて推論しています。
そのような厚さは他の用途に対しては十分であるとして
も集積回路への適用には完全に満足しうるものではない
本発明のプロセスは共同蒸着プロセスに用いられる高温
度に耐えることができしかも所望の珪化物に対し付着性
を有する所の任意の基体上に所望の珪化物のフィルムを
形成するのに適用できる。
このプロセスは集積回路の製造用に特に好都合であり、
従って基体がシリコン或は多結晶シリコンであるとき取
りわけ値打ちがある。
例えば本発明のプロセスはドープされた多結晶シリコン
ゲート電極上の外被層として、多結晶シリコンに対する
代替用のゲート電極材料として、及びドープされたシリ
コンの拡散線上へ直接与える上張りとして使用される所
の層を形成するのに特に適していることがわかった。
本発明が適用される珪化金属は珪化モリブデン、珪化タ
ンタル、珪化タングステン、珪化ロジウムなどである。
望ましい珪化物の金属はモリブデン、タンタル、タング
ステンであり、最適の珪化金属は珪化タングステンであ
る。
珪化金属フィルムは一般に約60乃至25原子百分率の
金属と約40乃至75原子百分率のシリコンを含有する
本発明によれば金属とシリコンが高真空下で蒸発されて
基体上に一緒に付着される。
使用される真空は約10−5乃至] 0 ” torr
(] torr =1mm Hg )程度である。
真空蒸着方法に於て金属とシリコンは高真空下でそれが
蒸発するのに十分な温度(ζ加熱される。
加熱に適した方法は電子ビーム蒸着機による方法であり
、2つの材料の蒸発率が相異するのでシリコン用と金属
用とに別個の電子ビーム・ガンを用いるのが望ましい。
電子ビーム蒸着機の利用は熱源としての利用を含み、高
度に平行化された電子ビームが材料に衝突するとき熱を
発散する。
シリコンと金属を蒸着するための装置及び条件は既知で
あるので詳細な説明は省略する。
金属とシリコンの蒸着率は毎秒約25乃至50オングス
トロームであるのが望ましい。
被覆されるべき基体は通常はぼ室温乃至約400℃の間
の温度に保たれ、金属とシリコンの被覆最中は約150
℃乃至250℃に保たれるのが望ましい。
所望量の金属とシリコンが基体上に付着された後でその
基体は真空蒸着装置から増巾されて高温度熱処理される
被覆された基体は不活性雰囲気中で約700℃乃至]]
00’Cの温度(望ましくは約900℃乃至1100°
Cの温度)に加熱される。
適した最高温度は主として実情に応じて決まり、具体的
には珪化物層にグレインが生長しすぎないように選定さ
れる。
熱処理を行うのに適した不活性雰囲気はアルゴン、ヘリ
ウム、水素などである。
不活性雰囲気(j水蒸気、酸素、炭素化合物、窒素及び
(加熱中に上記金属と化合して炭化物、酸化物或は窒化
物を形成するような)他の物質を含んではならない。
被覆された基体は付着された金属と付着されたシリコン
が反応して所望の珪化物を形成するのに十分な時間に亘
って(通常約15分乃至2時間)上記温度で加熱される
加熱に必要とされる時間は使用温度に反比例する。
熱処理の後その被覆された基体は若しも必要なら、酸化
処理して珪化物の層上に非反応性酸化物層を設けること
が出来る。
酸化に起因する珪化物層の導電性の低下は、酸化された
層の百分率から予測される値よりも遥かに少ないことが
わかった。
換言すれば、層の50%の酸化はそれに応じてその層の
導電性が50饅低下することにはならない。
このような結果は、珪化物層中のシリコンが主として優
先的に酸化されること及び金属が深く拡散することによ
り酸化された層の下(こ金属に富んだ珪化物層が生じる
ことに起因するものと信じられる。
珪化モリブデンの酸化に関して興味ある従来技術はEl
ectrochemical 5ociety会誌第1
12巻第6号1965年6月発行、第583頁J、Be
rkowitz−Matluck氏等の論文「High
Temperature 0xidation Il、
MolybdenumSilicideJを参照された
い。
第3B図及び4B図は種々の温度で酸化された珪化物の
面積抵抗の変化を示す。
全体的に見ると、酸化百分率に基づいて予測された導電
性に較べて約30%はど導電性が改善されたことを示し
ている。
珪化モリブデンに対して15分間に亘り1000℃の温
度で行なった酸化処理はそのフィルムにとって有害であ
り、性質を変えてしまった。
従って珪化モリブデンに対するそのような状態は高い導
電性を維持するためには回避されなければならない。
酸化は特定条件下で蒸気中で行なわれる。酸化の望まし
い方法は蒸気酸化(或は乾燥−湿潤−乾燥酸化)である
例数ならばその方法は他の酸化手段を使用するのに較べ
て良好な電気的絶縁破壊特性を示すからである。
蒸気酸化に用いられる望ましい温度は大気圧下で約80
0℃乃至1100℃である。
酸化のための時間は酸化物の所望の厚さによって決り、
一般的には約15分間乃至2時間を要する。
例えば1000乃至3000オングストロームの厚さに
するには約800°Cに於て約2時間、そして約950
℃に於て約30分間である。
第3A図及び4B図は表記の温度及び時間中蒸気にさら
されている間に珪化物上に生じる絶縁酸化物の生長を示
す。
下記の第1表は電子ビーム蒸着を採用して本発明Cコ従
って作られた珪化物フィルムの抵抗測定値を示す。
そのフィルムは約0.5μの厚さにシリコン基体上に付
着されたものである。
組成及び熱処理の関数としての珪化物抵抗(電子ビーム
付着)(0,5μのフィルム)下記の第■表は本発明の
方法によって得られた珪化物の改善された面積抵抗を示
す。
燐がドープされたシリコンに較べて導電性が改善されて
いる。
この改善された導電性は回路伝送線上の信号伝送速度の
改善のために重要である。
4点プローブ試験地点を用い、20乃至40地点で試験
された。
下記の第■表は本発明の方法によって得られた珪化金属
を使うと、珪化物上の酸化物に対する平坦帯電圧及び電
気的絶縁破壊電圧に基づき少くとも多結晶程度に良好で
あることを示す。
平坦帯電圧とはFETデバイスをONに切換えるのfζ
必要なゲート制御電圧に直接関係したパラメータの1つ
であって、狭い範囲内でのその仕様は集積回路への適用
のためFETの動作にとって重要なものである。
* 多結晶シリコンFET制御ゲートに対して予期された値
vfbは平坦帯電圧。
N は平均表面ドーピング。
vg t はゲート酸化物の厚さ。
X ■、はゲート酸化物に対する絶縁破壊。
電圧(100キャパシター20■/秒、1マイクロアン
ペアのトリガに対する平均値である。
)Ebfは電気的絶縁破壊電界。
■bd以外の結果は各ウェハ上の20乃至90地点の値
である。
vfb及びNavg (平均表面ドーピング)はC■輪
廓測定で決定された。
Mボルトはボルトの106倍である(メガボルト)その
上更にアルミニウム導体と珪化物層との間が約3000
オングストローム離隔された自己酸化珪化物の平均絶縁
破壊電界は2−3M■/CrILよりも大きいことが観
察された。
第1A図及び1B図を参照すると本発明を集積回路に利
用した例(即ち多結晶シリコン及び珪化金属の複合ゲー
トの構成)が示されている。
以下の製造ステップの説明は便宜上半導体基体としてp
型シリコン基体を、そして拡散された或は注入されたド
パント不純物としてn型不純物を用いることにして進め
ることにする。
これはnチャンネルFET技術にほかならない。
従って本発明に従ってpチャンネルFET技術でn型基
体及びp型拡散或は注入ドパント不純物を使用しうろこ
とを理解されたい。
n型不純物について説明されているときはそのプロセス
のステップはp型不純物についても適用され又その逆も
成立することを理解されたい。
更に本発明はシリコン以外の当業者周知の基体にも適用
可能である。
ここで用いられる用語「金属型相互接続線」及び「高導
電性相互接続線」はアルミニウムのような金属線ばかり
か導電性金属が一般に持つ大きさの導電性を持ちうる非
金属材料をも指すことを承知されたい。
「第1の型」の不純物及び「第2の型」の不純物と呼ぶ
とき、「第1の型」はn型或はp型の不純物を指し「第
2の型」はそれと反対の導電型の不純物を指すことを承
知されたい。
即ち若しも「第1の型」がp型であるなら「第2の型」
はn型である。
若しも「第1の型」がn型であるなら「第2の型」はp
型と言うことになる。
第1A図は構造の断片を示す。
任意所望の結晶配向(例えば<100>)を有するp型
シリコン基体1が、通常の結晶生長技術により硼素のよ
うなp型ドパントの存在下に生長されたp型シリコン単
結晶塊(boule)をスライスし且つ研磨することに
より用意される。
他のp型ドパントとしてはアルミニウム、ガリウム、イ
ンジウムが挙げられる。
二酸化シリコンの薄いゲート絶縁層2がシリコン基体1
の上に生長或は付着される。
このゲート絶縁層2は通常凡そ200乃至1000オン
グストロームの厚さであるが、乾燥した酸素の存在下で
1000℃の温度でシリコン表面を熱的に酸化すること
により形成されるのが望ましい。
然る後多結晶シリコンの層3が付着される。
その多結晶のシリコンの層は通常凡そ500乃至200
0オングストロームの厚さを持ち、化学的蒸着によって
形成されてもよい。
次にその多結晶シリコン層は幾つかの普通の技術のうち
の1つを使って砒素、燐、或はアンチモンのようなn型
ドパントでドープされる。
例えばその多結晶シリコンには、POCl3層を付着す
る技術を用いて燐がドープされ、それを凡そ]000℃
まで加熱して燐を多結晶中へ追込んで、それをn型にす
る。
その後で、緩衝されたフッ化水素酸中でそのウェハを食
刻することによりPOCl3層の余剰部分が取除かれる
次に厚さ約2000乃至4000オングストロームの珪
化物層4が前述のような本発明の共同蒸着及び加熱処理
によって多結晶シリコン上に形成される。
ゲート・パターンは幾つかの周知の方法の1つ(例えば
化学的食刻、プラズマ食刻、反応性イオン食刻なと)に
より作られる。
そのプロセスの詳細は用いる技術によって異なるが、最
終的な結果即ち珪化物及び多結晶シリコン層のパターン
、は同様に与えられる。
若しも化学的食刻が用いられるなら、熱H3PO4が多
結晶シリコン或はSiO2に対して珪化物を選択的に食
刻することを発見した。
CF4のような試料を用いる反広性イオン食刻のような
「乾式」技術によって珪化物を食刻するのが望ましい。
n型のソース及びドレイン領域が周知のイオン注入技術
或は拡散技術によって形成される。
例えば夫々n型のソース領域1及びドレイン領域8が約
]00KeVのエネルギ及び4X]015原子/CI?
Lの線量(dose:)のAs75注入により2000
オングストロームの深さに形成される。
注入の最中に多結晶シリコン・ゲート3及び珪化層4は
阻止マスクとして働らいて、n型ドパント不純物が多結
晶シリコン・ゲート3の下のFETチャンネル領域へ浸
入することを防止する。
n型のソース及びドレイン領域とFETのチャンネルと
の間の境界は多結晶シリコン・ゲートによって決定され
る。
これは従来技術では一般的に1自己整合ゲート技術」と
呼ばれている。
次に非反応性二酸化シリコン層5が前述の酸化処理によ
ってゲート領域に形成される。
例えばその構造体は約30分間約950°Cの温度で蒸
気酸化されて、約1000乃至3000オングストロー
ムの酸化物厚みが与えられる。
これに続いて約1000乃至1500オングストローム
の厚さのCVD二酸化シリコ7層6が付着されて、次に
与えられるアルミニウムのような金属性相互接続が珪化
物質と相互接続されることを防止する。
酸化物層と金属層は従来のマスク技術及び食刻技術によ
って限定される。
例えば二酸化シリコンは緩衝HFを用いて除去できるの
に対して、アルミニウムは燐酸及び硝酸の混合液で食刻
できる。
アルミニウムはスパッタリング或は蒸着によって付着さ
れてよい。
第2A図乃至2C図には本発明を用いて集積回路を製造
する他の態様が示されている。
下記の技術は、蒸着された珪化物を「リフトオフ方法」
により基体の予定部分から除去する能力があるので好都
合である。
基体11は適切な「リフトオフ」図形を与える材料の層
13で被覆される。
最も簡単な例を挙げると、層13は従来技術(例えば電
子ビームリングラフィによるPMMA)によって所望の
パターンが与えられたレジスト材料層である。
層13は適度の高温度処理環境に耐えうる材料で「リフ
トオフ」図形を与えうるならば、レジスト層及び食刻処
理を用いてパターン付けされた複数材料の多層構造のも
のでもよいことを承知されたい。
「リフトオフ」層13がパターン付けされた後に、その
「リフトオフ」マスクにより保護されていない基体領域
がn型領域12の形成のためにドープされる。
この領域のドープのためにAs、P。或はsbのイオン
注入技術を利用することが出来る。
前述の共同蒸着ステップにより、基体上に一緒に蒸着さ
れた金属及びシリコンの層14が付着される。
共同蒸着層14は「リフトオフ」材料上の部分とスパッ
タリング技術では付着されない部分との間を相互接続し
ない。
スパッタリング技術では相互接続を生じるかも知れない
縁部の被覆は僅かしか生じない。
従ってレジスト材料の溶媒(アセトンなど)を使う簡単
な除去処理により、「リフトオフ」材料層及びその上の
材料は容易(こ除去できる。
その構造体は次に珪化物を形成するため本発明で要求さ
れるアルゴン、水素、或はヘリウムノヨうな不活性雰囲
気中で約700乃至1000℃の温度で熱処理される。
次に珪化層14は酸化されて珪化物層の上1コ非反応性
酸化物層を生じる。
後でゲート領域にされるべき基体部分の二酸化シリコン
層上に窒化シリコン層のような酸化障壁マスク15が付
着される。
硼素のようなドーピング不純物16がイオン注入技術に
より注入される。
次に窒化シリコンの酸化障壁層15によって保護されて
いない基体部分上にCVDなどにより二酸化シリコンが
生成される。
酸化障壁層15の材料は本発明の方法の適用下では酸化
されない材料となるものと考えられる。
酸化障壁層はその下にあるシリコンが酸化されないよう
に保護する。
然る後、酸化障壁層は適当な溶媒を用いて剥増られる。
例えば窒化シリコンが用いられたとき180’Cの温度
で燐酸溶液で食刻される。
二酸化シリコンは緩衝フッ化水素酸の溶液で食刻される
次に二酸化シリコンのゲート絶縁層18が基体上に生長
される。
イオン注入によりチャンネル領域のドーピングがなされ
る。
これに続いてゲート材料の付着及びその後の輪廓づけが
周知のマスク技術及び食刻技術によってなされる。
ゲート材料は、シリコン及び金属の共同蒸着及び加熱(
こより、多結晶シリコンのみの付着により、或は多結晶
シリコンの付着と本発明の技術に従うシリコン及び金属
の共同蒸着及び加熱により形成される層の付着の組合せ
により付着される。
次にソース及びドレインのドパントがイオン注入により
与えられる。
然る後非反応性二酸化シリコン層17が前述の型式の蒸
気酸化によって作られる。
それに続いて二酸化シリコンの他のCVD層18が作ら
れる。
【図面の簡単な説明】
第1A図及び1B図は本発明の方法を用いた集積回路製
造態様を一連の断面で示し、第2A図乃至2C図は本発
明の方法を用いた集積回路製造態様の他の例を一連の断
面で示し、第3A図及び3B図はWS I 2に対する
温度、酸化時間、酸化物層の゛厚さの間の関係を示し、
第4A図及び4B図はMoSi2に対する酸化温度、時
間、シート抵抗の間の関係を示す。 1・・・・・・基体、2・・・・・・ゲート絶縁層、3
・・・・・・多結晶シリコン層、4・・・・・・珪化物
層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 モリブデン、タンタル、タングステン及びロジウム
    より成る群から選択された金属の蒸着源及びシリコンの
    蒸着源を夫々単独の蒸着源として別別に用意し、且つ別
    々の電子ビーム・ガンを用いて夫々の蒸着源から上記金
    属及びシリコンを電子ビーム蒸着法により蒸着されるべ
    き基体上に同時に蒸着し、上記夫々単独の蒸着源から同
    時に蒸着された金属及びシリコンを反応せしめて所望の
    金属珪化物層を形成するため上記蒸着された基体を不活
    性雰囲気中で熱処理することを特徴とする、基体上に珪
    化金属の層を設ける方法。
JP53065023A 1977-06-30 1978-06-01 基体上に珪化金属の層を設ける方法 Expired JPS5852342B2 (ja)

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