JPS63501882A - 選択的デポジシヨン方法 - 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】 選択的デポジション方法 技術分野 この発明はある基板材料のフィルムを選択的にデポジションする方法に関する。

この発明は半導体装置の製造中、タングステンのような金属フィルムを選択的に デポジションする技術分野に特に適応性がある。この発明はドープド多結晶シリ コン（普通に使用されている低レベル相互接続及び電極材料）の抵抗性が要求さ れる速度又は電力消費レベルに対してそれが大き過ぎるようなＶＬＳＩ半導体装 置の製造に使用することができる。多結晶シリコン上に置かれた、例えばタング ステンのような高い導電性材料層がその問題を解決する。

背景技術 ５ｏｌａｎｋｉほかによる５ＯＬＩＤ　５ＴＡＴＥ　ＴＥＣＨＮＯＩ、０ＧＹ（ １９８５年６月、２２０〜２２７頁）の論文″’　Ｌａ５ｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ 　Ｃｈｅｒｎｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”は熱分解、蒸発及 び光分解による薄いフィルムのし〜ザ誘導デポジションを開示している。熱分解 を使用したとき、基板−にレーザ・ビームが当てられ、基板のビーム部分を局部 的に加熱する。そのレーザの波長は基板に吸収されるように選ばれ、反応ガスに 透明である。デポジション領域はビームの大きさに関係するから、この方式は大 きなものの製造に使用するには不向きである。

米国特許第４，３９５，４３３号は、基板上に二酸化シリコン膜が形成され、エ ツチングされて基板表面領域を露出する方法を開示している。この構造体は温度 ６００℃の反応室に挿入され、シラン・ガスにさらされる。

１つの構成として、レーデ・ビームを基板全面に供給する。シリコンは基板の露 出した面にデポジットされるが、基板は比較的熱伝導性が高いため、基板表面か ら熱を逃がすのに対し、二酸化シリコンの熱伝導性は比較的低く、その表面に熱 を集中させるため、デポジットされるべきシリコンが散乱してシリコン層を形成 できないということから絶縁フィルムの上にはシリコンがデポジットされない。

発明の開示 この発明の目的は基板表面に材料を選択的にデポジションする有効な方法を提供 することである。

従って、この発明によると、基板の選ばれた領域を選ばれた波長で放射吸収強調 特性を持つようにし、高い温度領域でフィルム材料を熱分解デポジションする− ようにしたガス混合物を含む環境に基板を置き、選ばれた領域の放射吸収特性を 強調するような波長の放射線に基板をさらし、選ばれた領域の温度が十分高めら れガス混合物の局部的な熱分解反応を発生するようになるまで前記基板を前記放 射線で照射する各工程を含む基板にある材料のフィルムを選択的にデポジットす る方法を提供する。

この発明の１つの実行例によると、普通、レーザ・ビームの形のコリメートされ たコヒーレント光子エネルギが使用され、基板を反応ガス環境に置き、部分的に 完成する半導体基板の上面を全体的に照射する。レーザの波長、反応ガスの組成 及び基板の露出された面の種々の領域の組成は、光子エネルギの吸収率が意図す る光分解反応領域で相当大きいということを保証するように選ばれる。吸収が強 調されたアモルファス又は多結晶シリコン領域は選択的に加熱され、局部的に温 度が高められ、金属含有ガス化合物環境で光分解反応を開始し、隣シ合う低温領 域にほとんど影響しないようにしだ。それによって、金属の光分解デポジション は高い光子エネルギ吸収係数シリコンのパターンと一致する。光吸収の選択性は 光子エネルギ源の波長と、光反射又は吸収を調節するために選ばれた領域の厚さ をマツチさせることによって、又は光学自由キャリヤ吸収を変更するようウェハ 温度を変化させることによって更に強調することができる。

代替実施例によると、選択性、すなわち、光子吸収係数の差異は高い光子エネル ギ吸収特性を持つ領域の表面に対して精密に直角になるようコリメートされた光 子エネルギ・ビームを整列させることによって更に強化することができる。次に 、短いパルス幅の光子エネルギ源を使用して、その層の上面に高温領域を集中す る。それＫよって、光分解反応及び該当する部分的選択的デポジションが選ばれ た基板領域の上面に限定される。上表面の選択は非常に短い波長の使用、短いノ クルス幅の光子エネルギ源によシ、及びパターン化された領域の大部分に対して 上表面の光子エネルギ吸収特性を変更することによって強化することができる。

典型的に、これは浅いイオン注入又は同様な方法によるシリコン半導体に対する 表面ドーピングを含むことができる。そのようなドープド領域の光学自由キャリ ヤ吸収はドープされない領域に対するものよシ非常に大きい。

これらの概念の使用は集積回路装置のダート電極又は相互接続電極のために、パ ターン化されたアモルファス又は多結晶シリコンの全体に又は単にその上面にタ ングステンのような低抵抗シャント材料を高度な立体的選択性をもってデは？ジ ットすることができるようにした。この方法は電界効果トランジスタの重くドー 。

グしたソース／ドレイン領域に、又は多結晶シリコン・ダート電極層に対するよ うに露出した単結晶シリコンに選択的にデポジットするように適用することがで きる。その上、高い抵抗を残すように意図したドープしないか非常に軽くドープ した領域の耐火性金属の望ましくない光分解デポ・ゾションを避けるような方法 で実行することができる。

図面の簡単な説明 第１図は、ダート電極の強調された光子エネルギ吸収を使用してその上に金属層 を熱分解的にデポジットするようにした電界効果トランジスタ構造の断面図であ る。

第２図は、ダート電極の厚さが光子エネルギの波長にマツチするようにした第１ 図に類似の構造の断面図である。

第３図は、光分解反応をダート電極の上表面に限定するようコリメートされ、整 列された短波長パルス光子エネルギ源の使用を略図的に描いた空間的選択的デポ ジションの構成を示す断面図でちる。

第４図は、多結晶シリコン・ダート電極層の表面に薄いドープド領域を使用して 、その領域の非常に高い光学自由キャリヤ吸収を介して上表面に対するデポジシ ョンの空間的制御を行うことを描いた断面図である。

第５図は、光子エネルギ吸収係数の差異による空間的選択的デポジションを使用 して、側壁酸化物の上に短いソース／ドレインに対するダートを避ける一方、ソ ース／ドレイン領域及びダート電極の上に金属を選択的にデポジットするように した電界効果トランジスタ構造を描いた断面図である。

第６図は、第５図から光子吸収係数の選択性によって光分解デポジションを受け ない高抵抗多結晶シリコン領域を含むように拡大した断面図を表わす。低い自由 キャリヤ吸収は低いドーピング・レベルの故に発生する。

第７図は、この発明を含む空間的選択的デポジション方法を実施するに適した装 置の略図である。

この発明の一面は第１図に描いた電界効果トランジスタの応用を考察することに よって認識することができる。この実施例によると、単結晶シリコンのような材 料から成る半導体基板１は既知の技術に従い、好ましくは５００〜１０００ナノ メートル厚の二酸化シリコンから成る分離したフィールド酸化物領域２及び３を 形成するよう処理される。フィールド酸化物２，３の間にある基板１のアクティ ブ領域５は好ましくは厚さ２０〜５０ナノメートルの範囲の二酸化シリコンから 成るダート酸化物４によってカバーされる。典型的なアクティブ領域内の大体中 央に、ダート酸化物４の上。

には、厚さ３０〜５０ナノメートルの範囲のドープされた多結晶シリコンから典 型的にパターン化されたダート電極６が置かれる。ダート電極６の側部と基板１ の構造内のどちらかには一般にトランジスタのソース及びドレイン電極を代表す る領域７，８がある。第１図のようなこの発明の実施例はダート酸化物４又はフ ィールド酸化物領域２又は３に導電性材料（導体１１を形成する）を擬似的に形 成することを除去する一方、ダート電極６を完全に包囲する低抵抗シャント導電 層１１の空間的選択的デポジションを形成することに向けられる。重くドープさ れた領域により強い光学自由キャリヤ吸収は選択的加熱及びそれによる選択的デ ポジションを強調する。

第７図に示すこの発明の一実施例において、基板１がヒータ１２の上に置かれ、 真空室１４内のターゲット・ホルダ１３で固定される。ヒータは熱バイアスを内 えて自由キャリヤ吸収を選択的に最大にする。反応ガスを入口１６から室の中に 入れられ、その残余は真空レベル排出口１７から除かれる。真空室１４の壁の１ つは光子エネルギ通過ウィンドウ１８を含み、その組成は、この実施例の場合、 レーザ１９によって与えられるコヒーレントな光子エネルギ・ビームの基本的波 長にマツチするように選ばれる。この実施例によるレーザ・ビーム２１は鏡２２ を反射し、ウィンドウ１８を通して照射される。テーブルＡはレーザのタイゾと ウィンドウの材料とを適切に合致させた波長の組合わせを示す。

基板１．を処理する第７図の装置を第１図の形式に適用して、ダート電極６のよ うな・ぐターンド多結晶シリコン層の露出面に対し、好ましくはタングステンの ような耐火性金属から成る、第１図の１１のような導電層を選択的にデポジット することができる。導体１１をデポジットする光分解反応の選択性は多数の処理 条件に貢献する。第１に、コヒーレントな光子エネルギの波長は多結晶シリコン ・ゲート電極６の選択的光子吸収波長に合致する一方、それら波長は、フィール ド酸化物２，３、ゲート酸化物４及び単結晶シリコン基板１を大体通過する波長 である。代シに、基板温度と局部的ドーピングの組合わせによって自由キャリヤ の選択的吸収を行わせることができる。その上、光子エネルギ２３の波長は光子 エネルギ・ビームを通る反応ガス２４によって吸収を最少にするよう選ぶことが できる。そのような方法を実行することができる一定のパラメータの組合わせは 後に説明する。

第１図の中心的処理の特徴は選択的な光子エネルギの吸収を適用して、光分解反 応によって作られる選択的にデポジットする材料の続行で空間的選択的局部的な 光分解を開始することである。第１図の実施によるデポジションのだめの光子エ ネルギ２３源は基板１の全照射を与えるパルス・レーザ又はＣＷのどちらかでよ い。

第２図は第１図を変更して光子エネルギ２３が更にダート電極６の選択的吸収特 性を強調するよう調和したものである。この発明の実施例によると、ダート電ダ ート電極６の厚さは内部的に反射する光子エネルギのために吸収を最大にする光 学通路長を持つようにすることができる。ダート電極６の温度上昇はそれによっ てエネルギの受取シが最大となる。それに反し、光子エネルギを通過又は反射す るに好ましい領域の厚さはエネルギ吸収を最少にするため、光子エネルギの波長 の≠の倍数になるように選ばれる。再び、導電層１１はダート電極６の直近で、 温度応答光分解反応によって選択的にデポジットされる。

第１図の基本概念に対する他の変化は第３図に示す。

この場合、多結晶シリコン・ダート電極２６は大体垂直な側壁を持つようにパタ ーン化され、光子エネルギ・ビーム２８は基板１の面３０に対して大体垂直な方 向にコリメートされ、光子エネルギ・ソースは連続波ではなくパルス状波である 。例えば、紫外線波長領域で動作し、１０＋１秒又はそれ以下の幅の／ぐルスを 持ち、１００〜５００パルス／秒又はそれ以下の反復速度を有するレーザは更に 選択的又は局部的な吸収を与え、この場合、多結晶シリコン・ダート電極２６の 上表面２９に対する光分解温度を限定する。そのような条件の下に、光子エネル ギの加熱はダート電極２６の上１００ナノメートルに制限される。パルス幅及び 繰返速度は表面に発生した熱が光分解を支援するには寸分であるが、全基板の温 度を大きく高めるには不適であるということを保証するようにする。従って、ダ ート電極２６の表面２９のみが反応ガス２４と光分解反応を開始するに必要な温 度を受け、導体層３１の選択的デポジションがそのように制限される。

強化された空間選択性を与えるだめの他の方式としては、再び第４図に示すよう な上表面に対する導体のデポジションを制限することが要求され、パルス光子エ ネルギ源と非均等的にドープされた多結晶シリコン層どの組合わせが使用される 。１つの実施例によると、パターン化された多結晶シリコン層３２がドープされ （拡散又はイオン注入により）、ダート電極３２内によシ深く存在するものよシ その上表面において相当より高い不純物濃度３３を持つようになる。そこで、こ の構造はスペクトルの赤外線端のパルス光子エネルギを受ける。自由キャリヤ吸 収のだめの波長におけるドープド面領域光子吸収特性は否ドープ側壁の吸収特性 。

より相当大きい。光子エネルギ源３４が全基板１に対する熱伝導を最少にするに 適切な反復速度及び・ぞルス幅でパルスされると、温度上昇、光分解反応及びデ ポジションはデート電極３２の上表面領域３３に対して集中される。との方式は 第４図のダート電極３２の上表面導体３６のような導体のデポジション・パター ンを更に制御するだめに第３図のものと組合わせることができるということは明 らかである。

第１〜４図に示した各種方式及び製造方法は第５図に描いた領域３７．３８のよ うな電界効果トランジスタの重くドープされたソース／ドレイン領域に導体材料 を選択的にデポジットすることにも適用される。この実施例によると、ダート電 極３９はその上にシャント導電層４１をデポジットし、側壁二酸化シリコン領域 ４２によシ、夫々ソース／ドレイン領域３７．３８をシャントするようそれと同 様にその上に設けられた導電層４３．４４から絶縁されたままとなる。この電界 効果トランジスタ構造の背景の説明は米国特許第４、’５０３，６０１号にある 。

更に、この発明の製造方法の説明は第６図に集められる。第６図に示すように、 フィールド酸化物領域３は抵抗作用を行わせるよって配置された合成多結晶シリ コン層４６−４７−４８を有する。抵抗性領域４６は固有の多結晶シリコン又は 元の位置に軽くドープされるか後形成の注入によシドープされた多結晶シリコン でよく、重くドープされた多結晶シリコン相互接続領域４７又は４８のどちらか の端部に接続される。指定しまた・ギターンを選択的に加熱し、それによって部 分的に集中した光分解及びデポジションを開始するようにｌ−だ光学自由キャリ ヤ吸収の概念を適用することによって、導体層４１，４３，４４，４９．５’ｌ は重くドープされた多結晶シリコン・ダート電極３９と、重くドープされた単結 晶シリコンのソース／ドｌ／イン領域３７．３８と、重くドープされた多結晶シ リコン相互接続領域４７．４８どの上に夫々形成され、一方軽くドープされ又は ドープされていない多結晶シリコン層４６はその抵抗性を維持するようカバーさ れないままとする。

第５図の構造を形成するだめのこの発明の特徴の実施は、例えば米国特許第４． ５　’０３，６０１号に述べられている側壁二酸化シリコン領域４２−４２に関 係するソース／ドレイン領域３７．３８の形成が次に続く。その後、基板１は室 １４（第７図）に挿入され、ヒータ１２によって約１００〜３０００℃の温めら れる。室１４は排出口１７に接続されている真空ポンプによって０．１〜１トル の範囲の圧力を維持するよう真空にされる。ｗＦ６及びＨ２の１：５〜１　：　 ２００容積比混合物はガス入口１６から室］、４に挿入されて一定の室圧が。

維持される。そこでビーム２１を発生する。そのビームは５１０ナノメートル（ 緑）で動作するＣｕＩレーザでは基板面でビーム断面１ｄを持つ電力５　’ＯＷ のもの、又は３５８ナノメートル（Ｕｖ）で動作可能なＸｅＦレーザでは５Ｊの ビーム断面を持つ５０Ｗ電力のものでよかから成るウィンドウ１８を通し文投射 される。両波長はＮｖＦ６反応ガスに対して透明であシ、シリコンによって選択 的に吸収される光子エネルギを供給する。更に、両光子エネルギの波長は二酸化 シリコンに対して透明であり、多結晶シリコン・ダート電極３９又は単結晶シリ コン・ソース／ドレイン領域３７．３８以外において基板１に衝突するすべての 光子は全基板に通過し、そしてそこで吸収されるということを保証する。

それに対し、シリコン領域３７，３８．３９を照射する光子は局部領域の温度を 十分に上昇して光分解を開始し、反応ガス混合物からタングステンを局部的に分 離してそれを直接局部的に加熱したシリコンにデポジットする。ＣｕＩ又はＸｅ Ｆレーザが約５〜１０分使用されると、公称１００ナノメートル厚のデポジショ ンが生ずる。

第６図に示す次の選択的デポジションは夫々１０．６及び３マイクロメートル波 長、５００Ｗ及び３００Ｗ。

１０！ビ一ム面積で動作するＣＯ２又はＨＦ／ＤＦレーデで一実施することがで きる。その場合、第７図に示す装置は約４００〜６０００℃に基板温度を高くす る。室圧は、好ましくは、Ｗ６及びＨ２反応カス（７）１　：　５〜１：２００ の混合容積比の供給中、約０．２トルに維持される。基板はＣＯ２レーザで約１ 〜５分間照射され、ＨＦ／Ｄ　Ｆレーザで約２〜８分照射され、単結晶ソース／ ドレイン領域３７．３８及び重くドープされた多結晶シリコン領域３９，４７， ４８の上に約１００ナノメートル厚のタングステン層４１，４３，４４，４９． ５１をデポジットする。しかし、固有に又は軽くドープされている多結晶シリコ ン領域４６はカバーされないままである。このドープされたシリコン領域とドー プされないシリコン領域との間を差別する能力はこの発明による空間的な選択的 自由キャリヤ吸収技術に独特なものである。それに加え、自由キャリヤの吸収深 さは基板のバイアス温度に対するそれ以上の変化に対して順応する。タングステ ンの選択的デポジションのために従来実行されてきた方式は上記の差別が不可能 であり、そのため、露出したすべての多結晶又は単結晶シリコン領域の上にシャ ント・タングステン層をデポジットしてしまうことになる。

導電層、好ましくは耐火性タングステンの光分解及び選択的デポジションの使用 により、それを形成する領域の選択的光子吸収特性を変更する。ＣｕＩ又はＸｅ Ｆ　。

レーザを使用して第５図の構造を形成するためにデポジットされたタングステン の層は厚さ約１００ナノメ。

−トルに自動制限される。それにも拘わらず、この発明の選択的光分解によって 形成された金属フィルム又は層は導電層の後のより従来の化学的蒸着のだめの核 中心を形成する。例えば、タングステンがデポジットされている耐火性金属であ シ、選択的光分解デポジションが約１００ナノメートルに自動制限されるときに は、薄いタングステン層の核中心特性は約１マイクロメートルの合成厚に対する 大体従来の方法におけるタングステンの後の選択的ＣＶＤデポジションを可能に する。

この発明の中心概念は単結晶又は多結晶シリコン半導体を含む適用に制限されず 、熱分解反応のために設定されたアモルファス・シリコン領域を使用した構造に 対しても等しく有効に適用されるということを知るべきである。同様に、この発 明の概念は次のような材料を含む（しかしそれらのみに限定されるものではない ）集積回路装置の製造に使用される他の半導体材料にも適用されることは明らか である。それらの材料はガリューム、ヒ化物、インジー−ム、リン化物、ヒ化ア ルミニー−ム・ガリューム及ヒリン化インジューム・ガリュームーアルミニュー ムなどがある。

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Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．基板（１）にある材料のフイルムを選択的にデポジットする方法であって、 前記基板（１）の選ばれた領域（６）を選ばれた波長において強調された放射線 吸収特性を持たせ、ガス状化合物を含む環境に前記基板（１）をおき高い温度範 囲で前記材料のフイルムを熱分解的にデポジットし、前記選ばれた領域（６）の 放射線吸収特性を強化する波長の放射線に前記基板（１）をさらし、前記選ばれ た領域（６）の温度が前記ガス状化合物の局部的熱分解反応をひきおこすだけ十 分に高められるまで前記基板（１）を前記放射線で照射する各工程を含む選択的 デポジット方法。
2. ２．前記放射線波長及びガス状化合物は直接光分解反応を最少にするよう選ばれ ることを特徴とする請求の範囲１項記載の選択的デポジット方法。
3. ３．前記基板（１）の選ばれた領域（６、第２図）の光学通路長厚さは前記放射 線の波長の約１／４の倍数である請求の範囲１項記載の選択的デポジット方法。
4. ４．前記放射線は前記基板（１）の照射平面に対して大体垂直に整列されコリメ ートされるようにした請求の範囲２項記載の選択的デポジット方法。
5. ５．前記放射線の波長は前記基板（１）の選ばれた領域（２６）の厚さに対して 短いことを特徴とする請求の範囲４項記載の選択的デポジット方法。
6. ６．前記放射線のパルス幅及び反復速度は前記選ばれた領域（２６、第３図）の 照射された表面に対する熱分解反応のための加熱を更に集中させるよう調和させ ることを特徴とする請求の範囲４項記載の選択的デポジット方法。
7. ７．前記選ばれた領域（３３，３７，３８，３９，４７，４８）の照射された表 面は光学自由キャリヤ吸収を経て更に強調した放射線吸収特性を持つよう重くド ープされることを特徴とする請求の範囲４項記載の選択的デポジット方法。
8. ８．前記基板（１）に対し、集中した熱分解反応によってデポジットされた材料 が化学的蒸着（ＣＶ）デポジションのための核領域として作用するＣＶデポジシ ョンを受けさせる工程を含む請求の範囲１項記載の選択的デポジット方法。
9. ９．前記放射線はレーザによって発生したコヒーレントな光子から成る請求の範 囲２項記載の選択的デポジット方法。
10. １０．前記基板の温度は光学自由キャリヤ吸収を経て光子エネルギ吸収特性を更 に強調するよう調節することができる請求の範囲９項記載の選択的デポジット方 法。
11. １１．強調した光子エネルギ吸収特性を有する前記選ばれた領域（６）は多結晶 シリコン又はアモルファス・シリコンを含む請求の範囲１項記載の選択的デポジ ット方法。
12. １２．デポジットされる材料は耐火性金属である請求の範囲１１項記載の選択的 デポジット方法。
13. １３．前記耐火性金属はタングステンである請求の範囲１２項記載の選択的デポ ジット方法。
14. １４．前記ガス状化合物はタングステン・ヘクサフローライドである請求の範囲 １３項記載の選択的デポジット方法。