JP2001015754A - 半導体素子の電導性ライン形成方法 - Google Patents

半導体素子の電導性ライン形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的安定性が高く、電気抵抗が低い半導体素
子のシリコンとタングステンとからなる電導性ラインを
形成する方法を提供する。 【解決手段】 本発明の特徴は、シリコンとタングステ
ンとの間にそれら相互の反応を防止するための層を、単
独で形成させたり、窒化タングステンを堆積させて熱処
理して形成させるのではなく、シリコン膜の上に純粋タ
ングステン膜を形成させて、そのタングステンを窒素雰
囲気中で熱処理することで窒化タングステンとした。そ
の後さらに第2熱処理を行って窒化タングステン中の窒
素の量を減少させるとさらに特性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子に関し、
特に熱的安定性を高め、低い電気抵抗を有するようにし
た半導体素子の電導性ライン、例えばトランジスタのゲ
ートに使用される導電性ラインの形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的に、タングステン/シリコン構造
の電導性ラインの形成工程において、600℃以上の温
度になると、タングステンとシリコンとが反応してタン
グステンシリサイドが形成されやすい。タングステンシ
リサイドはタングステンに比べて電気抵抗が10倍以上
高く、その上高集積回路の電導性ライン物質として使用
しにくい。また、シリサイドの形成時にシリコン膜の破
壊が発生するので、タングステンとシリコンの間に反応
抑制層を形成させる必要がある。
【0003】以下、添付の図面を参照して従来技術の電
導性ライン形成について説明する。図1aないし図1d
は従来技術による電導性ラインを形成するための工程断
面図であり、図2aないし図2eは同様に従来技術によ
る電導性ライン形成のための他の工程断面図である。図
1aないし図1dはタングステン/反応防止膜/シリコ
ン構造の電導性ラインを形成する工程を示すものであ
る。まず、図1aのように、半導体基板11上にゲート
絶縁膜12を形成する。そして、ゲート絶縁膜12上に
電導性ライン形成用物質層として半導体層13を形成す
る。ここで、半導体層13としてはポリシリコンを使用
する。
【0004】次いで、図1bのように、半導体層13上
に反応防止膜14とタングステン膜15を順に形成す
る。この反応防止膜14は、タングステン膜15と半導
体層13とが反応しない物質を使用するが、代表的には
遷移金属と高融点金属などの窒化物または電気電導性の
ある酸化物を用いる。そして、図1cのように、フォト
リソグラフィー工程でタングステン膜15,反応防止膜
14,半導体層13を選択的にエッチングして半導体層
13とタングステン膜15とからなる電導性ライン16
を形成する。
【0005】次いで、図1dのように、電導性ライン1
6をマスクに全面に不純物イオンを注入し、ドライブイ
ン拡散させて電導性ライン16両側の半導体基板11の
表面内にソース/ドレイン領域17を形成する。
【0006】このようなタングステン/反応防止膜/シ
リコン構造における電導性ラインの中間の反応防止膜1
4は、半導体層13とタングステン膜15との反応を抑
える機能を果たしている。このような電導性ライン形成
工程は低温で行われるため、下部層に加えられる熱的ス
トレスは大きくない。したがって、熱による半導体基板
11の不純物分布がほとんど変わらないという特徴があ
る。
【0007】一方、高温で行われる電導性ライン製造工
程は次の通りである。図2aないし図2eはデニューデ
ィション(denudation)タングステン/シリコン構造の
電導性ラインを形成する工程を示すものである。まず、
図2aのように、半導体基板11上にゲート絶縁膜12
を形成する。そして、ゲート絶縁膜12上に電導性ライ
ン形成用物質層として半導体層13を形成する。ここ
で、半導体層13としてはポリシリコンを使用する。
【0008】次いで、図2bのように、半導体層13上
に窒化タングステン膜21を形成する。図2cのよう
に、窒化タングステン膜21が形成された基板を100
0℃で熱処理する。この熱処理工程で窒化タングステン
膜21と半導体層13との界面にシリコン窒化物の反応
防止層(図示しない)が形成され、これと同時に、窒化
タングステン膜21がタングステン膜21aに変化す
る。
【0009】そして、図2dのように、フォトリソグラ
フィ工程でタングステン膜21aと半導体層13を選択
的にエッチングして電導性ライン22を形成する。
【0010】次いで、図2eのように、電導性ライン2
2をマスクに全面に不純物イオンを注入し、ドライブイ
ンさせ、電導性ライン22の両側の半導体基板11の表
面内にソース/ドレイン領域17を形成する。
【0011】このような電導性ライン形成工程は、半導
体層13上に窒化タングステン膜21を堆積させ、高温
で熱処理するが、熱処理中に高温で不安定な窒化タング
ステン膜21がタングステン膜21aに変化する。これ
と同時に、窒化タングステン膜21に含まれた窒素と半
導体層13内のシリコンとが結合し、タングステン膜2
1aと半導体層13との界面にシリコン窒化物が形成さ
れる。
【0012】このように形成されたシリコン窒化物は1
000℃以上の高温でもシリコンとタングステンとの反
応を抑えることができる。このようなデニューディショ
ン・タングステン/シリコン構造の電導性ラインは、堆
積状態で電気抵抗は高いが、高温熱処理後の抵抗はタン
グステン/反応防止膜/シリコン構造の電導性ラインと
ほぼ同じ程度である。したがって、別に行われる反応防
止膜の堆積工程を行わなくても、タングステンとシリコ
ンとの反応を抑えることができ、熱的安定性が良いとい
う特徴を有する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
の半導体素子の電導性ライン形成方法は次のような問題
がある。タングステンとシリコンとの反応を抑えるため
に反応防止膜を形成するタングステン/反応防止膜/シ
リコン構造の電導性ライン形成方法では、第一,別途反
応防止膜を堆積させる工程が必要であり、その上、反応
防止膜の抵抗がタングステンより大きいため、ゲートの
電気抵抗が増加し、素子の動作特性を低下させる。第
二,反応防止膜の形状により上側に形成されるタングス
テン膜の電気的電導性に影響を与え、電導性ラインの電
気的特性が劣化する。第三,低温で電導性ラインを形成
しているので、後続のソース/ドレイン領域形成時など
の熱処理工程で抵抗が増加するなど熱安定性を確保でき
ない。
【0014】また、シリコン上に窒化タングステン膜を
形成するデニューディション・タングステン/シリコン
構造の電導性ライン形成方法では、第一、高温熱処理工
程によってシリコン窒化物の反応防止層を形成するの
で、素子に加えられる熱的ストレスが高い。第二、高温
の熱処理工程時半導体基板の不純物分布を変化させるた
め、素子の特性を低下させる。
【0015】本発明は、このような従来技術の電導性ラ
イン形成時の問題点を解決するためになされたもので、
高い温度でも熱的安定性を確保でき、低い電気抵抗を有
するようにした半導体素子の電導性ライン形成方法を提
供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の半導体素子の電導性ライン形成方法は、半導体基板
上に絶縁層を形成し、その上に半導体層、タングステン
膜を順に形成し、タングステン膜を熱処理工程で窒化さ
せ、タングステン膜と半導体層を選択的にエッチングす
ることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明実施形態の半導体素子の電導性ライン形成方法につい
て詳細に説明する。図3aないし図3fは本実施形態に
よる電導性ライン形成のための工程断面図である。本実
施形態の電導性ライン形成方法は、工程を単純化し、か
つ低温で工程を実施することにより低抵抗特性を有する
電導性ラインを得るようにしたもので、以下その工程に
ついて説明する。
【0018】まず、図3aのように、半導体基板31上
にゲート絶縁膜32を形成し、その上に電導性ライン形
成用物質層として半導体層33を形成する。半導体層3
3としてシリコンまたはゲルマニウム(Ge)またはシ
リコンゲルマニウム化合物(SixGe1-x)を使用する
ことができ、その堆積厚さは600〜800Åである。
【0019】厚さ600〜800Åに形成させた半導体
層33上に、図3bのように、タングステン膜34を形
成する。タングステン層に代えてモリブデン(Mo)層
とすることができ、その厚さは600〜800Åであ
る。
【0020】図3cのように、タングステン膜34が形
成された基板を500〜1000℃のアンモニア雰囲気
で第1熱処理し、タングステン膜34を窒化させ窒化タ
ングステン膜34aを形成する。
【0021】そして、図3dのように、窒化タングステ
ン膜34aが形成された基板を600〜1410℃の窒
素またはアルゴン雰囲気で第2熱処理を行う。この第2
熱処理のとき窒化タングステン膜34aの窒素含量が減
少する同時にタングステンの結晶粒が成長し、窒素の含
量が減少した窒化タングステン膜34bが形成される。
第2熱処理工程で窒素またはアルゴンガス以外にタング
ステンと反応しない他のガスを使用することも可能であ
る。2.0Ω/sq以下の低抵抗が要求されない素子の
場合は、1次熱処理を行うだけでも必要な抵抗特性を満
足させることができるので、2次熱処理工程を省略する
ことができる。
【0022】次いで、図3eのように、フォトリソグラ
フィ工程で窒素が減少した窒化タングステン膜34b、
半導体層33を選択的にエッチングして電導性ライン3
5を形成する。
【0023】最後に、図3fのように、電導性ライン3
5をマスクにして全面に不純物イオンを注入し、ドライ
ブイン拡散させ、電導性ライン35両側の半導体基板3
1の表面内にソース/ドレイン領域36a、36bを形
成する。
【0024】以上のような本実施形態の半導体素子の電
導性ライン形成方法において、1,2次熱処理工程を電
導性ライン35形成後に実施することも可能である。ま
た、1,2次熱処理工程を、ソース/ドレイン領域36
a、36bを形成するための不純物イオン注入後に実施
することも可能である。
【0025】このような方法で形成された本実施形態に
よる半導体素子の電導性ラインは以下で述べる特性があ
る。図4は熱処理温度による面抵抗の変化を示すグラフ
であり、図5は、本実施形態によるアンモニア熱処理に
よる抵抗と圧縮応力の変化を示すグラフである。図6は
第1、2次熱処理による面抵抗の変化を示すグラフであ
る。
【0026】本実施形態の電導性ライン形成工程は、半
導体層33上に純粋タングステン膜34を堆積し、その
タングステン膜を形成させた基板をアンモニア雰囲気で
熱処理するだけであるので、工程を極めて単純化するこ
とができる。しかも、抵抗特性は十分に確保することが
できる。1次熱処理工程により形成された、本実施形態
による窒化タングステン膜34aの面抵抗は、デニュー
ディション・タングステン/シリコン電導性ライン構造
で使用された従来の窒化タングステン膜の面抵抗より7
0%〜90%程度減少させることができた。両者の違い
は、従来技術では堆積時に窒化タングステンを形成させ
るのに対して、本実施形態の窒化タングステン膜34a
は堆積段階では純粋タングステンであり、後続の熱処理
工程で窒化することである。
【0027】図4は、従来のデニューディション・タン
グステン/シリコン電導性ライン構造でポリシリコンを
700Å、窒化タングステン膜を700Åの厚さで形成
した後の熱処理温度による面抵抗の変化を示したもの
で、素子の面抵抗特性を満足させるためには950℃以
上の高温熱処理が必要である。これでは、面抵抗特性は
満足するが、基板に加えられる熱的ストレスを防ぐこと
はできないことを意味する。これに対して、本実施形態
の方法による電導性ラインは、図5のように、650〜
750℃の低温での熱処理でも十分に低抵抗特性を確保
できる。
【0028】図5は、タングステン膜を650Åの厚さ
に形成し、1次熱処理を60秒間実施した場合の面抵抗
および圧縮応力の変化を示したもので、(I)は面抵抗
変化を、(II)は圧縮応力を示したものである。熱処理
温度の上昇と共に抵抗が増加し、圧縮応力が低下するの
はタングステン膜34が窒化されていることを意味す
る。このような窒化段階を経て形成された窒化タングス
テン膜34aはその下側にあるシリコンとの反応性を十
分に減らすことができる。
【0029】図6は、NH3雰囲気でそれぞれ650℃
(四角で表示)、750℃(丸で表示)、850℃(三
角で表示)の温度で1次熱処理した後、N2雰囲気で2
次熱処理した場合の熱処理温度によって変化する面抵抗
特性を示すものである。750℃の温度で熱処理した試
料の場合、1次熱処理後には面抵抗が3.5Ω/sqで
あり、2次熱処理工程で、温度が上昇するほど抵抗が減
少し、1000℃では2.3Ω/sqになる。これは、
1次熱処理後の窒化タングステン膜34aが、後続する
高温熱処理工程中にシリコンと反応しないことを意味す
る。このような2次熱処理工程により窒化タングステン
膜34a内の窒素が外に拡散され、窒素の含有量が減少
し、同時に結晶粒界が成長する。このようにして形成さ
れた窒素が減少したタングステン膜34bは1次熱処理
前のW/Si層の電気抵抗よりさらに低い電気抵抗を有
する。
【0030】
【発明の効果】上述した本発明の半導体素子の電導性ラ
イン形成方法は次のような効果を備えている。本発明
は、半導体層とタングステン層との反応を抑えるための
反応防止膜を別の工程で形成しないので、工程を単純化
することができ、ひいては製造コストを節減する効果が
ある。また本発明は、低抵抗特性を確保するための熱処
理工程を低温で行っているので、下部層(基板を含む)
に加えられる熱的ストレスを減少させることができ、素
子の信頼度を高くできるという効果がある。これはま
た、下側の半導体基板内部の不純物拡分布の変化を防ぐ
という効果もある。さらに本発明は、電導性ラインパタ
ーニング後に熱処理工程を行ったり、ソース/ドレイン
を形成するための不純物イオン注入後に行うこともで
き、製造工程を任意に変化させることができるという効
果がある。さらに本発明は、低抵抗特性を有する電導性
ラインを確保することができるので、素子の動作特性を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 従来技術の電導性ライン形成のための工程
断面図
【図1b】 従来技術の電導性ライン形成のための工程
断面図
【図1c】 従来技術の電導性ライン形成のための工程
断面図
【図1d】 従来技術の電導性ライン形成のための工程
断面図
【図2a】 従来技術の電導性ライン形成のための他の
工程断面図
【図2b】 従来技術の電導性ライン形成のための他の
工程断面図
【図2c】 従来技術の電導性ライン形成のための他の
工程断面図
【図2d】 従来技術の電導性ライン形成のための他の
工程断面図
【図2e】 従来技術の電導性ライン形成のための他の
工程断面図
【図3a】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図3b】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図3c】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図3d】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図3e】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図3f】 本発明実施形態による電導性ライン形成の
ための工程断面図
【図4】 熱処理温度による面抵抗の変化を示すグラフ
【図5】 本発明によるアンモニア熱処理による抵抗お
よび圧縮応力の変化を示すグラフ
【図6】 第1,2次熱処理に従う面抵抗の変化を示す
グラフ
【符号の説明】
31:半導体基板 32:ゲート絶縁膜 33:半導体層 34:タングステン
膜 34a:窒化タングステン膜 34b:窒素含量減
少タングステン膜 35:電導性ライン 36a、36b:ソ
ース/ドレイン

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に絶縁層を形成するステッ
    プ;前記絶縁層上に半導体層、タングステン膜を順に形
    成するステップ;前記タングステン膜を熱処理工程で窒
    化させるステップ;前記タングステン膜と半導体層を選
    択的にエッチングするステップを含むことを特徴とする
    半導体素子の電導性ライン形成方法。
  2. 【請求項2】 タングステン膜を窒化させるための熱処
    理工程をアンモニアガス雰囲気で500〜1000℃の
    温度で行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体素
    子の電導性ライン形成方法。
  3. 【請求項3】 半導体基板上に絶縁層を形成するステッ
    プ;前記絶縁層上に半導体層、タングステン膜を順に形
    成するステップ;前記タングステン膜を1次熱処理工程
    で窒化させるステップ;2次熱処理工程で窒化したタン
    グステン膜内の窒素を外に拡散させ、界面結晶を成
    長させるステップ;前記タングステン膜と半導体層を選
    択的にエッチングするステップを含むことを特徴とする
    半導体素子の電導性ライン形成方法。
  4. 【請求項4】 半導体基板上にゲート絶縁膜、半導体層
    を順に形成するステップ;前記半導体層上にタングステ
    ン膜を形成するステップ;アンモニアガス雰囲気での第
    1熱処理工程で前記タングステン膜を窒化させ、窒化タ
    ングステン膜を形成するステップ;第2熱処理工程で窒
    化タングステン膜内の窒素を膜外に拡散させ、界面の結
    晶粒を成長させて窒素の含有量が減少した窒化タングス
    テン膜を形成するステップ;フォトリソグラフィー工程
    で前記窒素の含有量が減少した窒化タングステン膜と半
    導体層を選択的にエッチングし、電導性ラインを形成す
    るステップ;前記電導性ラインをマスクに全面に不純物
    イオンを注入し、ドライブイン拡散させ、前記電導性ラ
    イン両側の半導体基板の表面内にソース/ドレイン領域
    を形成するステップを含むことを特徴とする半導体素子
    の電導性ライン形成方法。
  5. 【請求項5】 前記1,2次熱処理工程を、タングステ
    ン膜と半導体層を選択的にエッチングした後に行うこと
    を特徴とする請求項4に記載の半導体素子の電導性ライ
    ン形成方法。
  6. 【請求項6】 2次熱処理工程を窒素またはアルゴンガ
    ス雰囲気で600〜1410℃の温度で行うことを特徴
    とする請求項4に記載の半導体素子のゲート電極形成方
    法。
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