JP2000196081A - チタンポリサイドゲ―ト電極形成方法 - Google Patents
チタンポリサイドゲ―ト電極形成方法Info
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Abstract
現象を同時に改善できるチタンポリサイドゲート電極形
成方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、半導体基板30の上にゲート
絶縁膜31及びポリシリコン膜32を形成する段階;前
記ポリシリコン膜の上に非晶質のチタンシリサイド膜3
3を形成する段階;前記非晶質のチタンシリサイド膜に
Siイオン注入を行う段階;熱処理工程によって前記非
晶質のチタンシリサイド膜を結晶質のチタンシリサイド
膜に相変換させる段階;前記結晶質のチタンシリサイド
膜及び前記ポリシリコン膜を順次選択エッチングしてゲ
ート電極パターンを形成する段階;及び前記ゲート電極
パターン形成後にゲート再酸化工程を行う段階を含む。
Description
関し、特にMOSトランジスタ(MOSFET)のゲート
電極形成方法に関する。
極はドープしたポリシリコン膜を用いて形成してきた。
しかし、半導体素子の高集積化により、ゲート電極を始
めとして各種パターンが微細化しており、最近は0.1
5μm線幅以下まで微細化が進行している。これに伴
い、通常のゲート電極材料として用いるドープしたポリ
シリコンは、高い比抵抗特性のため、遅延時間が長くて
高速動作が要求される素子に適用し難いという問題点が
あった。かかる問題点は、半導体装置が高集積化するに
つれて深刻な問題となっている。このため、1GDRA
M以上の半導体素子では、チタンシリサイド膜を用いた
チタンポリサイド構造のゲート電極が主に用いられてい
る。
ば、次の通りである。第一に、ポリシリコン膜の上にT
iを蒸着し、ポリシリコンとTiを熱的に反応させてT
iSi2膜を形成する方法である。第二に、TiSix
(x=1.8〜2.5)スパッタリングターゲットを用い
て、PVD法でポリシリコンの上に非晶質のTiSix
を蒸着後、熱処理によって結晶質のTiSi2膜を形成
する方法である。図1乃至図5は、従来技術によるチタ
ンポリサイド構造のゲート電極形成工程図である。先に
提示したチタンシリサイド膜を形成するための工程のう
ちで後者に該当する工程を適用している。従来の工程
は、まず図1に示すように、半導体基板10の上にゲー
ト酸化膜11を成長させた後、その上にドープしたポリ
シリコン膜12を蒸着する。
ゲットを用いて、PVD法でポリシリコン膜12の上に
非晶質のTiSix膜13を蒸着する。続いて、図3に
示すように、所定温度で、数秒の間に急速熱処理(RT
P)を行って、TiSix膜13を結晶質(crystalline)
のTiSi2膜に相変化(phase transformation)させ
る。次に、通常のSAC(self-aligned contact)工程等
の後続工程のために、マスク窒化膜14(または酸化膜)
を蒸着する。
14、TiSi2膜13a、ポリシリコン膜12及びゲ
ート酸化膜11を順次選択エッチングしてゲート電極を
パターニングする。
ーニング工程の際に、エッチング損傷(damage)及び微細
なポリシリコンの残留物を除去し、かつゲート酸化膜バ
ーズビーク(gate oxide bird's beak)を形成すること
で、ゲート酸化膜11の信頼性の向上を図ることができ
る。この為に通常のゲート再酸化(gate re-oxidation)
工程を行う。
壁に酸化膜15が成長されるが、図に示すように、Ti
Si2膜13a側壁部分で過剰酸化(異常酸化現象)が起
きるという問題点があった。こうしたTiSi2膜13
aの異常酸化現象は、ゲート電極の抵抗特性を劣化させ
る要因となるが、TiSix膜13蒸着のためのTiS
ixスパッタリングターゲットにおいて、Tiに対する
Siのモル比(Si/Ti)のx値によって異常酸化の程
度が異なる。すなわち、Si/Tiのモル比x値が2.1
程度と低ければ、異常酸化現象ははげしく起こり、造成
比x値を2.4程度と増加させれば、異常酸化現象はほ
ぼ起きない。すなわち、TiSixスパッタリングター
ゲットで化学両論的にSi過剰(excess)状態であれば、
TiSi2膜13aの酸化速度はポリシリコン膜12の
酸化速度と類似していることになる。
ゲットのSi/Tiモル比x値が高ければゲート再酸化
工程には有利であるが、x値が高いほどパティクル(par
ticle)発生が大きく増加するので、現実的に2.4以上
のSi造成比を持つターゲットを使用するのには制約が
ある。
グターゲット(TiSix)のSi/Tiモル比xによる
パティクル発生頻度を示すグラフである。TiSixス
パッタリングターゲットは一般にSi/Tiのモル比x
が1.8〜2.5の造成を持つ。図において、余分のSi
によりスパッタリングターゲットのSi/Tiのモル比
xが増加すればパティクル数も増加する(直線A)。一
方、スパッタリングターゲットのSi/Tiのモル比x
が少なすぎるとSi不足状態になってターゲットに気孔
(pore)が生成し、その気孔によりパティクルが発生する
(直線B)。前記影響を全て考えて実際に発生されるパテ
ィクルの総数を曲線Cに示す。よって、Si/Tiのモ
ル比xが約2.05〜2.10のスパッタリングターゲッ
トを用いると、最少のパティクルが発生することが分か
る。
ト電極形成時にパティクル発生問題と異常酸化現象を同
時に解決することはほぼ不可能であった。
リサイドゲート電極形成工程のうち、チタンシリサイド
膜蒸着後、ゲート再酸化工程前にチタンシリサイド膜の
側壁または全体にSiイオンを注入する工程を追加する
ことにより、チタンシリサイド膜がSi余分状態を維持
する状態で、ゲート再酸化工程を行って、チタンシリサ
イド膜の異常酸化現象を抑制することにある。本発明の
他の目的は、チタンシリサイド膜のSi/Tiのモル比
を下げて蒸着することで、パティクル発生を最小化する
ことにある。
めに、本発明のチタンポリサイドゲート電極形成方法
は、半導体基板の上にゲート絶縁膜及びポリシリコン膜
を形成する段階;前記ポリシリコン膜の上に非晶質のチ
タンシリサイド膜を形成する段階;熱処理工程によって
前記非晶質のチタンシリサイド膜を結晶質のチタンシリ
サイド膜に相変換させる段階;前記結晶質のチタンシリ
サイド膜にSiイオン注入を行う段階;前記結晶質のチ
タンシリサイド膜及び前記ポリシリコン膜を順次選択エ
ッチングしてゲート電極パターンを形成する段階;及び
前記ゲート電極パターン形成後にゲート再酸化工程を行
う段階を含むことを特徴とする。
極形成方法は、半導体基板の上にゲート絶縁膜及びポリ
シリコン膜を形成する段階;前記ポリシリコン膜の上に
チタンシリサイド膜を形成する段階;前記チタンシリサ
イド膜及び前記ポリシリコン膜を順次選択エッチングし
てゲート電極パターンを形成する段階;前記ゲート電極
パターン側壁にSi斜めイオン注入を行う段階;及び前
記イオン注入後にゲート再酸化工程を行う段階を含むこ
とを特徴とする。
の好適実施例を詳細に説明する。図7乃至図12は、本
発明の一実施例によるチタンポリサイドゲート電極形成
工程図である。
る工程は次の通り行われる。まず、図7に示すように、
シリコン基板30の上にゲート酸化膜31を成長させた
後、LPCVD法でドープしたポリシリコン膜32を蒸
着する。
ゲットを用いてPVD法で非晶質相(amorphous phase)
のTiSix膜33を500〜1000Å厚さで蒸着す
る。このとき、Si/Tiのモル比xが2.0〜2.2の
TiSixターゲットを用いてパティクル発生を最小化
する。
33にSiイオン注入を行う。このとき、1×1015
ions/cm3〜5×1016ions/cm3のSiドー
ズでイオン注入を行い、注入されたSiによりTiSi
x膜33でSi/Tiのモル比が増加することになる。
50℃温度で、10〜30秒の間に急速熱処理(RTP)
工程を行って、非晶質のTiSix膜33を結晶質のT
iSi2膜33aに相変換させる。続いて、通常の後続
工程(自己整列コンタクト形成等)のために、全体構造上
部にマスク酸化膜34(または窒化膜)を蒸着する。
膜34、TiSi2膜33a、ポリシリコン膜32及び
ゲート酸化膜31を順次選択エッチングしてゲート電極
をパターニングする。
化工程を行う。このとき、TiSi 2膜33aは先のS
iイオン注入により余分のSiが存在する状態であるの
で、TiSi2膜33aの異常酸化現象は発生しなくな
る。その理由は、TiSi2膜33aで酸化の起きる
時、Tiよりは余分に残っているSiが酸化されるの
で、TiSi2膜33aの酸化速度がポリシリコン膜3
2の酸化速度と類似していることになるためである。ゲ
ート再酸化工程は、700〜850℃温度で、ドライ酸
化方式で行って、20〜50Å厚さの均一な酸化膜35
が形成されるようにする。
にTiSix膜33蒸着後に行わず、TiSix膜33
の相変化のためのRTP工程後またはマスク酸化膜34
形成後にイオン注入エネルギーを調節して行われる。
よるポリサイドゲート電極形成工程図であって、これを
参照して本発明の他の実施例による工程を簡略に紹介す
る。
例で図9に示したSiイオン注入工程を除いた図7乃至
図10に示した工程を行って、シリコン基板40の上に
ゲート酸化膜41、ポリシリコン膜42、結晶質のTi
Si2膜43及びマスク酸化膜44を形成した状態を示
している。
44、TiSi2膜43、ポリシリコン膜42及びゲー
ト酸化膜41を順次選択エッチングしてゲート電極をパ
ターニングし、Si斜めイオン注入を行う。このとき、
イオン注入角度を垂直方向から5〜10゜だけ傾けてゲ
ート電極側壁にSiをイオン注入するようにする。
化工程を行う。このとき、TiSi 2膜43の側壁部分
は先のSiイオン注入により余分のSiが存在する状態
であるので、TiSi2膜43の異常酸化現象は発生せ
ず、これにより、20〜50Å厚さの均一な酸化膜45
を形成できる。
ンシリサイド膜蒸着の際は、Si/Tiのモル比を下げ
てパティクル発生を抑制し、シリサイド膜の側壁または
全体にSiイオンを注入した状態でゲート再酸化工程を
行うことで、ゲート再酸化工程時シリサイド膜の異常酸
化現象を防止する効果があり、これにより、半導体素子
の信頼度の向上を図ることができる。
はない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変
更実施することが可能である。
電極形成工程図である。
る。
る。
る。
る。
(TiSix)のSi/Tiモル比(x)によるパティクル
発生頻度を示すグラフである。
ト電極形成工程図である。
形成工程図である。
形成工程図である。
極形成工程図である。
電極形成工程図である。
電極形成工程図である。
ゲート電極形成工程図である。
電極形成工程図である。
電極形成工程図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 半導体基板の上にゲート絶縁膜及びポリ
シリコン膜を形成する段階;前記ポリシリコン膜の上に
非晶質のチタンシリサイド膜を形成する段階;前記非晶
質のチタンシリサイド膜にSiイオン注入を行う段階;
熱処理工程によって前記非晶質のチタンシリサイド膜を
結晶質のチタンシリサイド膜に相変換させる段階;前記
結晶質のチタンシリサイド膜及び前記ポリシリコン膜を
順次選択エッチングしてゲート電極パターンを形成する
段階;及び前記ゲート電極パターン形成後にゲート再酸
化工程を行う段階を含むことを特徴とするチタンポリサ
イドゲート電極形成方法。 - 【請求項2】 前記非晶質のチタンシリサイド膜は、T
iSixスパッタリングターゲット(x=2.0〜2.2)
を用いた物理気相蒸着法で蒸着されることを特徴とする
請求項1記載のチタンポリサイドゲート電極形成方法。 - 【請求項3】 前記Siイオンは1×1015ions
/cm3〜5×1016ions/cm3のドーズ(dose)で注
入されることを特徴とする請求項1記載のチタンポリサ
イドゲート電極形成方法。 - 【請求項4】 前記ゲート再酸化工程は、700〜85
0℃の温度で、ドライ酸化方式で行われることを特徴と
する請求項1記載のチタンポリサイドゲート電極形成方
法。 - 【請求項5】 半導体基板の上にゲート絶縁膜及びポリ
シリコン膜を形成する段階;前記ポリシリコン膜の上に
非晶質のチタンシリサイド膜を形成する段階;熱処理工
程によって前記非晶質のチタンシリサイド膜を結晶質の
チタンシリサイド膜に相変換させる段階;前記結晶質の
チタンシリサイド膜にSiイオン注入を行う段階;前記
結晶質のチタンシリサイド膜及び前記ポリシリコン膜を
順次選択エッチングしてゲート電極パターンを形成する
段階;及び前記ゲート電極パターン形成後にゲート再酸
化工程を行う段階を含むことを特徴とするチタンポリサ
イドゲート電極形成方法。 - 【請求項6】 前記非晶質のチタンシリサイド膜は、T
iSixスパッタリングターゲット(x=2.0〜2.2)
を用いた物理気相蒸着法で蒸着されることを特徴とする
請求項5記載のチタンポリサイドゲート電極形成方法。 - 【請求項7】 前記Siイオンは1×1015ions
/cm3〜5×1016ions/cm3のドーズ(dose)で注
入されることを特徴とする請求項5記載のチタンポリサ
イドゲート電極形成方法。 - 【請求項8】 前記ゲート再酸化工程は、700〜85
0℃の温度で、ドライ酸化方式で行われることを特徴と
する請求項5記載のチタンポリサイドゲート電極形成方
法。 - 【請求項9】 半導体基板の上にゲート絶縁膜及びポリ
シリコン膜を形成する段階;前記ポリシリコン膜の上に
チタンシリサイド膜を形成する段階;前記チタンシリサ
イド膜及び前記ポリシリコン膜を順次選択エッチングし
てゲート電極パターンを形成する段階;前記ゲート電極
パターン側壁にSi斜めイオン注入を行う段階;及び前
記イオン注入後にゲート再酸化工程を行う段階を含むこ
とを特徴とするチタンポリサイドゲート電極形成方法。 - 【請求項10】 前記Si斜めイオン注入は、前記半導
体基板の垂直方向より5〜10゜程度斜めに行われるこ
とを特徴とする請求項9記載のチタンポリサイドゲート
電極形成方法。 - 【請求項11】 前記チタンシリサイド膜は、TiSi
xスパッタリングターゲット(x=2.0〜2.2)を用い
た物理気相蒸着法で蒸着されることを特徴とする請求項
9記載のチタンポリサイドゲート電極形成方法。 - 【請求項12】 前記Siイオンは1×1015ion
s/cm3〜5×101 6ions/cm3のドーズ(dose)で
注入されることを特徴とする請求項9記載のチタンポリ
サイドゲート電極形成方法。 - 【請求項13】 前記ゲート再酸化工程は、700〜8
50℃の温度で、ドライ酸化方式で行われることを特徴
とする請求項9記載のチタンポリサイドゲート電極形成
方法。
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