DE69415476T2 - Epitaktische-Kobalt-Silizid auf einer dünnen metallischen Unterschicht - Google Patents

Epitaktische-Kobalt-Silizid auf einer dünnen metallischen Unterschicht

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Ausbildung von Kobaltsilizid-Dünnschichten zur Anwendung in Halbleitervorrichtungen, und insbesondere die Ausbildung epitaxialer Kobaltsilizid-Dünnschichten auf einer dünnen Metallunterlage.
    • STAND DER TECHNIK
  • Kobaltsilizidschichten werden häufig für integrierte CMOS- Schaltungen als Niedrigwiderstandsquelle für das Ausdiffundieren von Dotierungsmitteln zwecks Ausbilden flacher p-n- Übergänge in Quell- und Senkenbereichen benutzt. Das Ausdiffundieren dieser Dotierungsmittel erfordert in der Regel, daß die Kobaltsilizid-Dünnschicht als Dotierungsquelle für längere Zeit auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt wird, um genügend Antrieb für das Dotierungsmittel zu erzeugen, in das darunterliegende Siliziumsubstrat einzudiffundieren. Eine signifikante Begrenzung für die Anwendung dieser Silizid-Dünnschichten ist, daß dieses Erhitzen häufig eine Zusammenballung der Kobaltsilizid-Dünnschicht bewirkt. Das Zusammenballen ist nachteilig, weil es punktförmige Dünnstellen erzeugt oder vorher existierende Korngrenzen im polykristallinen Silizid aufreißt und auch zu einer großen Variation in Korngröße und -tiefe in der Kobaltsilizid-Dünnschicht führt. Daraus folgt, daß eine zusammengeballte Dünnschicht zu großen Unterscheiden beim Kontaktwiderstand, schlechte Kontakt-Ätzstops und erhöhte Flachübergang-Streuverluste verursacht. Ferner weisen bisherige Kobaltsilizid-Dünnschichten in der Praxis geringere Grenzen für ihre Dicke auf, wenn sie als Ausdiffusionsquelle benutzt werden, weil die Zusammenballung streng mit abnehmender Silizid-Dicke einhergeht. Je dünner die Silizid-Dünnschicht ist, desto stärker kommt es zu Zusammenballungen für einen gegebenen Ausdiffusionszyklus. Ein Verfahren zum Ausbilden eines gegenüber Zusammenballung widerstandsfähigeren Silizids würde es ermöglichen, dünneres Silizid zu benutzen und flachere Übergänge zu erreichen (für einen gegebenen Ausdiffusionstreibzyklus).
  • Bereits früher wurden Versuche zur Reduktion der Zusammenballung und somit Verbesserung der Wärmebeständigkeit der Kobaltsilizid-Dünnschicht gemacht. Zum Beispiel wurde gefunden, daß die Bildung einer epitaxialen Kobaltsilizid- Dünnschicht zu einer verbesserten Wärmebeständigkeit gegenüber bisherigen Polykristallin-Dünnschichten führt. Eine frühere Lösung hat eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht durch zunächst Aufstäuben einer 10-30 nm Ti-Schicht und dann Aufstäuben einer Co-Schicht auf die Ti-Schicht vor dem Glühschritt verwendet, der die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht ausbildet. (Ein solches Verfahren wird geoffenbart in Materials Letters, Bd. 17(1993), S. 383-387). Diese Lösung erbringt jedoch keine nützliche Ausdiffusionsquelle, weil restliches Ti im Kobaltsilizid und an der Silizidoberfläche stabile Verbindungen mit bestimmten Dotierungsatomen, wie z. B. B, das in PMOS-Vorrichtungen als Dotierung eingesetzt wird, eingeht. Das Entstehen solcher Verbindungen kann die Ausdiffundierung signifikant verzögern und die Übergangskonzentration des Dotierungsmittels an der Silizium-Silizid- Schnittstelle einschränken. Daher ist die Verwendung einer Ti-Schicht zum Ausbilden von Quellen/Senken-Bereichen vom p- Typ nicht praktisch.
  • Es besteht also ein Bedarf nach einem Verfahren zum Ausbilden einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht mit verbesserter Wärmebeständigkeit. Ebenso besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zum Ausbilden einer Ausdiffusionsquelle zum Bilden flacher Übergänge zur Anwendung in CMOS-Schaltungen, die Quellen/Senken-Bereiche sowohl vom n-Typ als auch vom p-Typ benötigen.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dieser Bedarf wird gedeckt, die Einschränkungen auf dem Stand der Technik werden überwunden, und weitere Vorteile werden realisiert gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung durch eine Prozeß der Ausbildung einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht, bei dem eine metallische Unterschicht unter einer Kobaltschicht vor einem Erwärmungsschritt, der die Silizid-Dünnschicht ausbildet, ausgeformt wird. Genauer gesagt, wird eine hochschmelzende Metallschicht, enthaltend Wolfram, Chrom, Molybdän oder ein Silizid davon, auf einem Siliziumsubstrat oder einem Halbleiter-Wafer gebildet. Auch kann die hochschmelzende Metallschicht ein Gemisch aus Wolfram, Chrom oder Molybdän enthalten, wobei ein Chrom-Molybdän- Gemisch bevorzugt ist. Auf der hochschmelzenden Metallschicht wird eine Kobaltschicht ausgebildet. Dann wird der Wafer geglüht bei einer hinreichend hohen Temperatur, um auf dem Siliziumsubstrat eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht auszubilden. Anschließend an diesen Glühschritt bleibt eine Legierung aus Kobalt-Silizium-hochschmelzendem Metall über der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht, die über dem Siliziumsubstrat liegt. Nach der Ausbildung weist die erfindungsgemäße Silizid-Dünnschicht beispielsweise einen durchschnittlichen spezifischen Widerstand von etwa 15 uΩ·cm auf.
  • In einer Lösung des Problems wird eine Wolframmetallschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 2,5 nm auf ein Siliziumsubstrat aufgestäubt oder aufgedampft, eine Kobaltschicht mit einer Dicke von etwa 5 bis 20 nm wird auf die Wolframmetallschicht aufgestäubt oder aufgedampft, dann werden beide Schichten bei Temperaturen über etwa 550ºC für länger als etwa 20 s geglüht. Nach dem Glühen wird eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgetragen und eine Kobalt-Silizium-Wolfram- Legierung wird auf die Oberfläche der Silizid-Dünnschicht aufgetragen. Vorzugsweise werden die Wolframmetallschicht und die Kobaltschicht nacheinander in situ geformt ohne Herausnehmen aus einer Vakuumumgebung. Das verhindert das Ausbilden einer nachteiligen Oxidschicht auf der Wolframmetallschicht. Stärker bevorzugt ist die Glühtemperatur von etwa 750º bis 900ºC, und das Glühen wird durchgeführt durch schnelles thermisches Glühen. Die schließlich ausgebildete epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht weist eine Dicke von z. B. etwa 40 nm auf.
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Ausbilden eines flachen p-n-Übergangs vor durch Ausdiffundieren eines Dotierungsmittels aus einer epitaxialen Kobaltsilizid- Dünnschicht, die vorher auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wurde, wie z. B. durch den oben beschriebenen Prozeß. Zunächst wird ein Dotierungsmittel entweder vom p-Typ oder vom n-Typ, wie z. B. B, Ga, P, Sb, oder As, in die Silizid- Dünnschicht an den Bereichen implantiert, in denen Quell/Senken-Übergänge gebildet werden sollen. Beim Ausführen dieser Implantierung wird bevorzugt, daß im wesentlichen kein Dotierungsmittel in das darunterliegende Siliziumsubstrat implantiert wird.
  • Nach dem Implantieren wird das Dotierungsmittel aus der Silizid-Dünnschicht in das darunterliegende Siliziumsubstrat bei einer hinreichend hohen Treibtemperatur ausdiffundiert, um den gewünschten p-n-Übergang zu bilden. Bei einer Lösung des Problems beträgt die Treibtemperatur wenigstens etwa 800ºC, und das Ausdiffundieren wird durchgeführt für mindestens etwa 15 s. Diese Bedingungen können für verschiedene Dotierungsmittelkombinationen (z. B. B und P) unterschiedlich sein, wie der Fachmann erkennt. Jedoch ist es erwünscht, sowohl für die n- als auch für die p-Dotierungsmittel eine einzige Treibtemperatur zu benutzen.
  • Bei einer Lösung wird ein flacher p-n-Übergang gebildet durch Ausdiffundieren aus einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht durch zunächst Ausbilden einer Wolframmetallschicht auf einem Siliziumsubstrat; Ausbilden einer Kobaltschicht auf der Wolframmetallschicht; Glühen der Kobalt- und der Wolframschicht bei einer Temperatur über etwa 550ºC für länger als 20 s zur Ausbildung der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht auf den Siliziumsubstrat; Implantieren eines Dotierungsmittels in die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht; und Ausdiffundieren des Dotierungsmittels aus der epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht in das darunterliegende Siliziumsubstrat durch Glühen bei einer Treibtemperatur, die hinreichend hoch ist, den p-n-Übergang auszubilden. Wie der Fachmann unschwer erkennt, richtet sich die Treibtemperatur nach dem bestimmten Dotierungsmittel und der gewünschten Übergangsdotierungsmittelkonzentration.
  • Ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht ausgebildet wird, die sowohl eine verbesserte Wärmefestigkeit aufweist als auch keine Rückstände bildet, die mit den gewünschten Dotierungsmitteln regieren. Somit ermöglicht eine erfindungsgemäße epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht das Ausbilden von Quell/Senken-Bereichen sowohl vom n-Typ als auch vom p-Typ mit hohen Schnittstellenübergangskonzentra tionen ohne die durch die Zusammenballung verursachten Probleme. Ein weiterer Vorteil ist, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Kobaltsilizid-Dünnschicht eine verbesserte Gleichförmigkeit aufweist, die z. B. eine genaueres Einrichten der Silizid-Silizium-Schnittstelle an einem metallurgischen Übergang ermöglicht ohne verstärktes Übergangsstreuverluste zu verursachen. Zusätzlich wird eine erfindungsgemäß aufgebaute, nicht-zusammengeballte Silizid-Dünnschicht erzeugt, die einen besseren Kontakt-Ätzstop und Sperrschichtmetall für Kontaktmetallurgie vorsieht. Im Gegensatz dazu tendieren bisherige zusammengeballte Silizid-Dünnschichten dazu, im Silizid Spalten aufzureißen, die das Ätzen des Übergangssiliziums beim Kontaktätzen und Durchdringen der Kontaktmetallurgie in den Übergang zulassen, die beide zu Übergangsstreuverlusten führen können.
  • Die obigen, und noch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden, in genauere Einzelheiten gehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen deutlich.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 und 2 sind Schnittansichten, die die Bildung einer erfindungsgemäßen epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht illustrieren.
  • Fig. 3 ist ein Elektronendiffraktionsbild einer durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildeten epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht.
  • Fig. 4 ist ein Graph eines mittleren Schichtwiderstands, aufgetragen gegen die Glühtemperatur für eine erfindungsgemäß ausgebildete Kobaltsilizid-Dünnschicht, gegenübergestellt Profilen herkömmlicher Kobaltsilizid-Dünnschichten.
  • Fig. 5 ist ein Graph einer Arsen-Dotierungskonzentration, aufgetragen gegen ein Tiefen-SIMS-Profil für Arsen-Ausdiffundieren in einen Silizium-Wafer mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung darauf aufgebrachten Kobaltsilizid- Dünnschicht, gegenübergestellt Wafern mit gemäß herkömmlichen Methoden darauf aufgebrachten Silizid-Dünnschichten.
  • Fig. 6 ist ein Graph einer Kobaltkonzentration, aufgetragen gegen ein Wafer-Tiefen-SIMS-Profil für Arsen-Ausdiffundieren in einen Silizium-Wafer mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung darauf aufgebrachten Kobaltsilizid-Dünnschicht, gegenübergestellt einem Wafer mit einer herkömmlichen Silizid-Dünnschicht.
  • Fig. 7 ist ein Graph einer Bor-Dotierungskonzentration, aufgetragen gegen ein Tiefen-SIMS-Profil für Bor-Ausdiffundieren in einen Silizium-Wafer mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung darauf aufgebrachten Kobaltsilizid-Dünnschicht, gegenübergestellt Wafern mit gemäß herkömmlichen Methoden darauf aufgebrachten Silizid-Dünnschichten.
  • Fig. 8 ist ein Graph einer Kobaltkonzentration aufgetragen gegen ein Wafer-Tiefen-SIMS-Profil für Bor-Ausdiffundieren in einen Silizium-Wafer mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung darauf aufgebrachten Kobaltsilizid-Dünnschicht, gegenübergestellt einem Wafer mit einer herkömmlichen Silizid-Dünnschicht.
    • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung sieht sowohl ein Verfahren zum Ausbilden einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht als auch ein Verfahren zum Ausdiffundieren aus einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht vor, die im allgemeinen für die Bildung selbsausrichtender flacher Übergänge in integrierten Schaltungen anwendbar sind. Zusätzlich können die erfindungsgemäß ausgebildeten Silizid-Dünnschichten im allgemeinen für jeden Prozeß eingesetzt werden, der die Silicierung vorgefertigter dünner Übergänge voraussetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine epitaxiale Kobaltsilizid- Dünnschicht durch einen Prozeß ausgebildet, in dem zunächst eine Metallunterschicht unter einer Kobaltschicht ausgebildet wird und dann die Metall- und Kobaltschichten erhitzt werden, um die Silizid-Dünnschicht zu bilden.
  • Genauer gesagt, eine hochschmelzende Metallschicht bestehend aus Wolfram, Chrom, Molybdän oder ein Silizid derselben wird auf einem Silizium-Substrat auf einem Halbleiter-Wafer ausgebildet. Zusätzlich wird ein Gemisch aus Wolfram, Chrom oder Molybdän als hochschmelzende Metallschicht benutzt. Ein bevorzugtes Gemisch, das benutzt werden kann, ist ein Chrom- Molybdän-Gemisch, das als Legierung angenommen werden soll. Eine Kobaltschicht wird auf der hochschmelzenden Metallschicht ausgebildet. Dann wird der Wafer bei hinreichend hinreichend hohen Temperatur geglüht, daß sich die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht auf dem Silizium-Substrat ausbildet. Im Anschluß an diesen Glühschritt liegt eine hochschmelzende Kobalt-Silizium-Metallegierung über der epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht, die selbst über dem Siliziumsubstrat liegt. Die Anwendung der Silizid-Dünnschicht als Ausdiffusionsquelle nach ihrer Ausbildung wird später diskutiert.
  • Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 1; in einer bevorzugten Lösung ist ein Silizium-Substrat 10 vorgesehen und eine Wolframmetallschicht 12 mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 2,5 nm wird auf das Silizium-Substrat 10 aufgestäubt oder aufge dampft. Die Wolframschicht 12 kann auch dicker gemacht werden, wenn aber die Dicke über etwa 3 nm hinausgeht, verschlechtert sich die Qualität der Silizid-Dünnschicht. Auch wird Aufstäuben bevorzugt, weil Wolfram ein verhältnismäßig schweres Metall ist und und daher gleichmäßig und langsam stäubt, wenn es in einer Argon-Atmosphäre aufgebracht wird. Das Silizium-Substrat 10 kann in solchen Bereichen eines Halbleiter-Wafers gefunden werden, wo z. B. Quellen- und Senken-Diffusion in einer CMOS-Schaltung erforderlich sind.
  • Eine Kobaltschicht 14 mit einer Dicke von etwa 5 bis 20 nm wird auf die Wolframmetallschicht aufgestäubt oder aufgedampft. Als nächstes werden sowohl die Wolfram- und Kobaltschichten 12 und 14 als auch das Siliziumsubstrat 10 bei einer Temperatur über etwa 550ºC für länger als etwa 20 s geglüht, um die endgültige Silizid-Dünnschicht auszubilden. Eine stärker bevorzugte Zeitspanne ist etwa 30 s. Stärker bevorzugt ist auch die Glühtemperatur zwischen etwa 750ºC und 900ºC, mit einer optimalen Glühtemperatur bei etwa 850ºC. Beim Glühen diffundieren Kobaltatome aus der Kobaltschicht 14 nach unten durch die Wolframmetallschicht 12 und reagieren dann mit dem Silizium in Substrat 10, um epitaxiales CoSi&sub2; auszubilden.
  • Vorzuziehen ist das Ausbilden der Kobaltschicht 14 in situ in der gleichen Vakuumumgebung wie das der Wolframmetallschicht 12, so daß auf der Wolframschicht 11 keine unerwünschte Oxidschicht entstehen kann. Das läßt sich z. B. bewirken, indem sowohl das Wolfram als auch das Kobalt aufgestäubt wird, ohne den Wafer aus dem Zerstäubergerät herauszunehmen. Das Glühen wird vorzugsweise durch Schnellglühen (Rapid Thermal Annealing - RTA) durchgeführt, so daß ein schnelles Erhitzen auf Reaktionstemperatur zur Ausbildung von CoSi&sub2; erreicht wird. Es können jedoch auch andere Geräte wie z. B. ein Ofen verwendet werden.
  • Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 2; nach dem Glühen wird eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht 16 auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 aufgebracht und eine Kobalt- Silizium-Wolfram-Legierungsschicht 18 wird auf die Oberfläche der Silizid-Dünnschicht 16 aufgebracht. Die letztendlich ausgebildete epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht 16 hat eine Dicke von z. B. etwa 40 nm. Die Legierungsschicht 18 hat eine Dicke, die im wesentlichen gleich der ursprünglichen Dicke der Wolframmetallschicht 12 ist, z. B. etwa 0,5 bis 2,5 nm. Zusätzlich ist darauf hinzuweisen, daß die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht 16 von der Form CoSi&sub2; ist. Andere Formen von Kobaltsilizid können keine epitaxiale Schicht bilden.
  • Verschiedene Eigenschaften der letztendlichen epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht heben sich vorteilhaft von denen der herkömmlichen polykristallinen SoSi&sub2;-Dünnschichten ab. Zum Beispiel wurde eine herkömmliche CoSi&sub2;-Dünnschicht auf einem Wafer ausgebildet unter Verwendung einer 18 nm aufgestäubten Schicht aus Co und Glühen bei 750ºC für 30 s in einem Formiergas mit etwa 5-10% Wasserstoff in Stickstoff. Der mittlere Schichtwiderstand der Dünnschicht war etwa 3 S&sub2; Quadrat. Als Vergleich wurde eine epitaxiale CoSi&sub2;-Dünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet unter Verwendung einer 0,1 nm aufgestäubten W-Schicht unter einer 18 nm aufgestäubten Co-Schicht. Dann wurde 30 s bei 850ºC geglüht. Der mittlere Schichtwiderstand dieser Silizid- Dünnschicht war etwa 2,7 Ω Quadrat. Dieser Schichtwiderstand deutet darauf hin, daß im wesentlichen das gesamte Co gemäß der vorliegenden Erfindung in CoSi&sub2; umgewandelt wird. Somit hat die Silizid-Dünnschicht der vorliegenden Erfindung einen Schichtwiderstand, der im wesentlichen gleich ist der einer herkömmlichen Silizid-Dünnschicht.
  • Im Hinblick auf den betroffenen Reaktionsmechanismus wird angenommen, daß die Wolframschicht 12 bei niedriger Temperatur sowohl für Co als auch für Si als Diffusionsschranke wirkt. Reaktionen zwischen Co und Si bei niedrigeren Temperaturen bilden in der Regel CoSi und Co&sub2;Si, die unerwünschte Formen sind, weil sie kein epitaxiales Silizid bilden und einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Die Wolframschicht 12 hilft bei der Bildung eines epitaxialen CoSi&sub2;, weil es diese unerwünschten Reaktionen verhindert, bis eine genügend hohe Temperatur erreicht ist. Bei dieser höheren Temperatur diffundiert Co durch die Wolframschicht und reagiert mit Si durch Bildung von im wesentlichen ausschließlich erwünschtem CoSi&sub2;, und überspringt dabei die dazwischenliegenden CoSi- und Co&sub2;Si-Phasen niedrigerer Temperatur.
  • Die Fig. 1 und 2 wurden unter Hinweis auf eine hochschmelzende Metallschicht aus Wolfram beschrieben, jedoch wird angenommen, daß auch die anderen Metalle der Gruppe VIA des Periodensystems (d. i. Chrom und Molybdän) zum Ausbilden der hochschmelzenden Metallschicht unter der Kobaltschicht benutzt werden können. Ferner wird angenommen, daß auch Silizide der Metalle der Gruppe VIA als hochschmelzende Metallschicht ausgebildet werden können. Alle diese anderen Materialien haben die Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, als die oben unter Hinweis auf Wolfram beschriebene Diffusionsschranke wirken können. Insbesondere gehört zu diesen Eigenschaften, daß Metalle der Gruppe VIA selbst keine Disilizide ausbilden, bis Temperaturen erreicht sind, die über derjenigen liegen, die zur Bildung von CoSi&sub2; erforderlich ist, und die Silizide der Metalle der Gruppe VIA haben einen Schmelzpunkt, der höher liegt als der von CoSi&sub2;. Ferner wird angenommen, daß keines dieser alternativen hochschmelzenden Metallschichtmaterialien stabile Verbindungen mit B, Ga, P, Sb oder As eingeht und diese daher als wirksame Ausdiffusionsquellen der obigen Beschreibung benutzt werden können.
  • Zusätzlich zum Bereitstellen eines Verfahrens zum Ausbilden einer epitaxialen Kobaltsilizidschicht stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Ausbilden eines flachen p-n- Übergangs durch Dotierungsmittel-Ausdiffusion aus einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht bereit, die vorher auf einem Siliziumsubstrat gebildet wurde, wie z. B. durch den oben beschriebenen Prozeß. Zunächst wird entweder ein Dotierungsmittel vom p-Typ oder n-Typ, wie z. B. B, P oder As, in eine epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht implantiert in Bereichen, in denen Quellen/Senken-Übergänge gebildet werden sollen. Bei der Durchführung dieser Implantierung wird bevorzugt, daß im wesentlichen keines der Dotierungsmittel in das darunterliegende Siliziumsubstrat implantiert wird. Nach dem Implantieren wird das Dotierungsmittel aus der Silizid-Dünnschicht in das darunterliegende Siliziumsubstrat ausdiffundiert bei einer Treibtemperatur, die zur Ausbildung des gewünschten p-n-Übergangs hinreichend hoch ist. Wie dem Fachmann bewußt ist, richten sich die Ausdiffusionsbedingungen nach dem Dotierungsmittel und den gewünschten Übergangseigenschaften.
  • In einer bevorzugten Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein flacher p-n-Übergang ausgebildet durch Dotierungsmittel-Ausdiffundieren aus einer epitaxialen Kobaltsilizid- Dünnschicht unter zunächst Bilden einer Wolframmetallschicht auf einem Siliziumsubstrat; dann Ausbilden einer Kobaltschicht auf der Wolframmetallschicht; und Glühen der Kobaltschicht und der Wolframschicht bei einer Temperatur über etwa 550ºC für einen Zeitraum über etwa 20 s zum Ausbilden der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht auf dem Siliziumsubstrat. Als nächstes wird ein Dotierungsmittel in die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht implantiert (dieses Implan tieren wird durch die Pfeile 20 in Fig. 2 dargestellt), schließlich wird das Dotierungsmittel aus der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht in das darunterliegende Siliziumsubstrat ausdiffundiert durch Glühen bei einer Treibtemperatur, die genügend hoch ist, den p-n-Übergang auszubilden. Die Treibtemperatur wird bestimmt durch die besonderen gewünschten Übergangseigenschaften. Wie dem Fachmann bewußt ist, variiert die Treibtemperatur und/oder Zeit in Abhängigkeit von dem bestimmten Dotierungsmittel und dem erwünschten Übergangsdotierungsmittelprofil (z. B. Dotierungskonzentration und -tiefe).
  • Fig. 3 ist ein Elektronendiffraktionsbild einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht, die durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildet wurde. Die wohldefinierten Flecken und das Fehlen von Ringen in diesem Bild zeigen, daß die Dünnschicht wirklich epitaxial ist. Auch haben andere Messungen gezeigt, daß die Co-Atome die primäre Wanderungsspezies bei der Silizidbildung sind.
  • Ein signifikanter Vorteil der erfindungsgemäß gebildeten epitaxialen CoSi&sub2;-Dünnschichten ist, daß sie im Vergleich zu herkömmlichen polykristallinen CoSi&sub2;-Dünnschichten sehr widerstandsfähig gegen Zusammenballung sind. Fig. 4 ist ein Graph eines mittleren Schichtwiderstands aufgetragen gegen das Glühtemperaturprofil für eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Kobaltsilizid-Dünnschicht, die den Profilen für herkömmliche Kobaltsilizid-Dünnschichten gegenübergestellt ist. Zwei herkömmliche CoSi&sub2;-Dünnschichten wurden unter Glühbedingungen 750ºC für 30 S und 850ºC für 30 s gebildet. Eine epitaxiale CoSi&sub2;-Dünnschicht wurde gebildet unter Verwendung einer W-Unterschicht bei einer Glühbedingung 850ºC für 30 s. Jede Dünnschicht wurde dann gemäß Darstellung im Graph hintereinander 450 s in Formiergas RTA-geglüht. Der Schichtwiderstand nach den einzelnen Glühgängen ist auf der senkrechten Achse dargestellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, zeigte die W/CoSi&sub2;-Dünnschicht signifikante Warmfestigkeit über 1000ºC, während die herkömmlichen CoSi&sub2;-Dünnschichten eine signifikante Zusammenballung zeigten.
  • Die Ausdiffusionscharakteristiken der epitaxialen CoSi&sub2;-Dünnschicht der vorliegenden Erfindung wurden bestimmt durch Implantieren der Dünnschichten mit entweder As oder B, Ausdiffundieren des entsprechenden Dotierungsmittels bei unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen in ein darunterliegendes Siliziumsubstrat, und dann Messen der Dotierungsmittel- und Co-Profile mit Hilfe sekundärer Ionenmassensprektroskopie (SIMS). Vor den Dotierungsimplantierungen wurden die Silizid- Dünnschichten mit einer 30 nm Si&sub3;N&sub4;-Schicht abgedeckt, die als zusätzlicher Raumgeber für die Dotierungsimplantation, als Abdeck-Dünnschicht zum Verhüten von Dotierungsmittelverdampfung während des Ausdiffusionstriebs, und als Ätzstop beim anschließenden Kontaktätzen wirken. Als erstes wurde Arsen implantiert. Fig. 5 ist eine Arsen-Dotierungsmittel- Konzentration aufgetragen gegen Tiefen-SIMS-Profil für Arsen- Ausdiffundieren in einen Silizium-Wafer mit einer darauf ausgebildeten Kobaltsilizid-Dünnschicht mit einer 1,0 nm W- Unterlage gemäß der vorliegenden Erfindung, gegenübergestellt den Wafern, auf denen Silizid-Dünnschichten unter Verwendung herkömmlicher Verfahren ausgebildet sind (herkömmliches CoSi&sub2; und CoSi&sub2;, das mit einer 1,0 nm Ti-Unterschicht ausgebildet wurde). Das Arsen wurde implantiert mit einer Dosis von 1E16 Atome/cm² bei einem Energieniveau von 60 KeV und wurde getrieben durch 240 s RTA-Glühen bei 900ºC. Entlang der Tiefenachse beginnt die Oberfläche des Silizium-Substrats an der Spitze in der Nähe der Tiefe von etwa 0,11 um. Wie man sieht, haben alle drei Silizid-Dünnschichten im wesentlichen ähnliche Leistungen aufzuweisen als As-Schnittstellenkonzentration und Dotierungsmittelprofil.
  • Fig. 6 ist ein Graph einer Kobalt-Konzentration, aufgetragen gegen ein Wafer-Tiefen-SIMS-Profil für Arsen-Ausdiffundierung in einen Silizium-Wafer mit einer darauf ausgebildeten erfindungsgemäßen epitaxialen CoSi&sub2;-Dünnschicht, gegenübergestellt einem Wafer mit herkömmlicher polykristalliner CoSi&sub2;- Dünnschicht. Die Prozeßbedingungen waren die gleichen wie für die Wafer der Fig. 5. Der schärfere Abfall der Co-Konzentration bei Tiefen über etwa 0,15 um zeigt eine stärker abrupte Schnittstelle für die epitaxiale CoSi&sub2;-Dünnschicht.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 wurde dann Bor in Wafer implantiert, die unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 5 und 6 hergestellt waren, mit dem Unterschied, daß B mit einer Dosis von 1E16 Atome/cm² und einer Energie über 20 KeV implantiert wurde und durch RTA-Glühen in Formiergas bei 900ºC für 60 s getrieben wurde. Fig. 7 ist ein Graph einer Bor- Dotierungskonzentration, aufgetragen gegen Tiefen-SIMS-Profil für Bor-Ausdiffusion in einen Silizium-Wafer, auf dem eine erfindungsgemäße Kobaltsilizid-Dünnschicht ausgebildet ist, gegenübergestellt Wafern, die entweder eine herkömmliche CoSi&sub2;-Dünnschicht oder eine CiSi&sub2;-Dünnschicht mit einer Ti- Unterschicht aufweisen. Wie man sieht, ist die B-Schnittstellenkonzentration (die Silizid-Silizium-Schnittstelle liegt in einer Tiefe von etwa 0,11 um) signifikant höher für die CoSi&sub2;-Dünnschicht, die mit Hilfe von W ausgebildet ist, in Vergleich zu der Dünnschicht, die mit Hilfe von Ti ausgebildet ist. Wie oben bereits besprochen, bilden Ti-Atome stabile Verbindungen mit B, die seine Ausdiffusion verzögern. Auch verstärkte B-Implantierungskonzentrationen wurden untersucht und es wurde gefunden, daß sie die maximale Schnittstellenkonzentration, die unter Verwendung von CoSi&sub2; mit einer Ti-Unterschicht ausgebildet wurde, nicht merklich erhöhen.
  • Fig. 8 ist ein Graph einer Kobaltkonzentration, aufgetragen gegen Wafer-Tiefen-SIMS-Profil für Bor-Ausdiffusion in einen Silizium-Wafer mit einer darauf ausgebildeten erfindungsgemäßen Silizid-Dünnschicht. Die CoSi&sub2;-Dünnschichten, die mit einer W-Unterschicht ausgebildet sind, zeigen infolge ihrer epitaxialen Natur wieder eine stärker abrupte Schnittstelle (siehe in einer Tiefe von etwa 0,13 bis 0,16 um).
  • Zwar wurde die vorliegende Erfindung vorstehend in Einzelheiten beschrieben, sie beschränkt sich jedoch nicht auf die hier gezeigte spezifische Form, im Gegenteil, sie deckt auch Alternativen und äquivalente Gegebenheiten ab, die sinnvollerweise unter die Erfindung in der Definition der nachstehenden Ansprüche fallen.

Claims (18)

1. Ein Verfahren zum Ausbilden einer epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht in einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte umfaßt:
Ausbilden einer hochschmelzenden Metallschicht einschl Wolfram, Chrom, Molybdän, einem Gemisch derselben, oder Silizid von Wolfram, Chrom oder Molybdän, wobei die hochschmelzende Metallschicht auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist;
Ausbilden einer Kobaltschicht über der hochschmelzenden Metallschicht; und
Glühen der Kobaltschicht bei einer Temperatur, die hinreichend hoch ist, um die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht auf dem Silizium-Substrat auszubilden.
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Glühschritt auch eine Kobalt-Silizium-hochschmelzende Metallegierung auf der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht ausbildet.
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem der Schritt des Ausbildens einer hochschmelzenden Metallschicht und der Schritt des Ausbildens einer Kobaltschicht hintereinander in situ ausgeführt werden, ohne Herausnehmen aus der Vakuum-Umgebung.
4. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, in dem die hochschmelzenden Metallschicht Wolfram oder Wolframsilizid ist.
5. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, in dem die hochschmelzende Metallschicht im wesentlichen aus Wolfram, Chrom oder Molybdän besteht.
6. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, in dem die hochschmelzende Metallschicht auf das Silizium-Substrat aufgestäubt oder aufgedampft wird.
7. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, in dem die Kobaltschicht auf die hochschmelzende Metallschicht aufgestäubt oder aufgedampft wird.
8. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, in dem der Glühschritt durch Schnellglühen ausgeführt wird.
9. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, in dem die hochschmelzende Metallschicht eine Dicke von etwa 0,5 bis 2,5 nm, und die ausgebildete Kobaltschicht eine Dicke von etwa 5 bis 20 nm aufweist.
10. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, in dem der Glühschritt bei einer Temperatur von mindestens etwa 550ºC, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 750ºC und 900ºC ausgeführt wird.
11. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, in dem der Glühschritt mindestens 20 Sekunden lang ausgeführt wird.
12. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, in dem die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht einen spezifischen Widerstand von etwa 15 uΩ·cm aufweist.
13. Ein Verfahren zum Ausbilden eines flachen p-n-Übergangs durch Dotierungsmittel-Ausdiffundieren aus einer auf einem Silizium-Substrat ausgebildeten epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht, das die folgenden Schritte umfaßt:
Implantieren eines Dotierungsmittels in die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht; und
Ausdiffundieren des Dotierungsmittels aus der epitaxialen Kobaltsilizid-Dünnschicht in das Silizium-Substrat durch Glühen bei einer Treibtemperatur, die hoch genug ist, den p-n-Übergang zu bilden.
14. Das Verfahren gemäß Anspruch 13, in dem die epitaxiale Kobaltsilizid-Dünnschicht gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12 gebildet wird.
15. Das Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, in dem das Dotierungsmittel so implantiert wird, daß im wesentlichen kein Dotierungsmittel in das Silizium-Substrat implantiert wird.
16. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 15, in dem das Dotierungsmittel Bor, Gallium, Phosphor, Antimon oder Arsen umfaßt.
17. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 16, in dem die Treibtemperatur mindestens etwa 800ºC ist.
18. Das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 17, in dem der Schritt des Ausdiffundierens mindestens etwa 15 Sekunden lang durchgeführt wird.
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