JP2001053027A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
を含む半導体層と金属層とを反応させて低抵抗のシリサ
イド層を所望の厚さに形成する。 【解決手段】 半導体1上に、Six (Gey C1-y )
1-x 層2及びSiv (Gew C1-w )1-v 層3(但し、
0<x<v≦1,y≦1,w≦1)を順次堆積させたの
ち、Siv (Gew C1-w )1-v 層3上に金属層4を堆
積させ、加熱処理により金属化合物層5,6を形成す
る。
Description
法に関するものであり、特に、Si及びGeを含む半導
体層とその上に堆積させた金属層とを熱処理することに
よって低抵抗の金属シリサイド電極を形成する際のSi
及びGeを含む半導体層の構成に特徴のある半導体装置
の製造方法に関するものである。
って、ソース・ドレイン電極及びゲート電極に金属シリ
サイドを用いるサリサイドプロセスが広く用いられてい
るが、この様なサリサイドプロセスを用いたMOS型半
導体集積回路装置において、高集積化に伴いゲート寸法
が微細化するとソース・ドレイン領域を構成する不純物
拡散領域の深さは浅くなる。
てpn接合リーク電流の増加を抑制したまま低抵抗のシ
リサイド電極を形成するために、ソース・ドレイン領域
上にシリコン層を堆積し、このシリコン層の上にシリサ
イド電極を形成することが試みられている。この様なシ
リサイド電極の形成方法は、SOI(Silicon
On Insulator)基板上に完全空乏化型のM
OSFETを形成する場合にも、ソース・ドレイン領域
にシリサイド電極を形成する際にも利用できる。
リコン層よりの禁制帯幅の小さなSiとGeとを含む
層、即ち、Si1-x Gex 層を用いることが提案されて
おり、シリコン層よりの禁制帯幅の小さなSi1-x Ge
x 層を用いることによって、シリサイド層/Si1-x G
ex 層界面のショットキー障壁の高さを低くして、シリ
サイド層/Si1-x Gex 層界面のコンタクト抵抗を減
少させることが試みられているので、図6及び図7を参
照してこの様なシリサイド電極の形成工程を説明する。
イド電極の形成工程を説明するが、説明を簡単にするた
めに、ソース・ドレイン領域の一部を拡大して図示す
る。 図6(a)参照 まず、ソース・ドレイン領域41上にCVD法を用いて
Si1-x Gex 層42(例えば、Si0.5 Ge0.5 層)
を堆積させたのち、スパッタ法によってCo層43を堆
積させる。
ealing)法を用いて、例えば、450〜800℃
において30〜120秒間、加熱処理することによっ
て、Co層43とSi1-x Gex 層42とを反応させて
Coシリサイド層44を形成して、ソース・ドレイン電
極とする。
イド電極の形成工程を説明するが、この場合も、説明を
簡単にするために、ソース・ドレイン領域の一部を拡大
して図示する。 図7(a)参照 まず、ソース・ドレイン領域41上にCVD法を用いて
Si1-x Gex 層42(例えば、Si0.5 Ge0.5 層)
を堆積させたのち、スパッタ法によってTi層45を堆
積させる。
において30〜120秒間、加熱処理することによっ
て、Ti層45とSi1-x Gex 層42とを反応させて
Tiシリサイド層46を形成し、次いで、未反応のTi
層45を除去することによってTiSi2 からなるソー
ス・ドレイン電極を形成する。
1-x Gex 層に対するシリサイド電極の形成方法におい
ては、上述の加熱条件では十分なSi−金属反応が行わ
れず、Si/金属比率の小さな高抵抗のシリサイド層が
形成されたり、或いは、金属が未反応のまま残ってしま
うという問題がある。
層とSi1-x Gex 層とが反応する場合、CoはSiと
優先的に反応するのに対して、Geはその反応を抑制す
るように作用するため、Geの組成比が大きい場合、上
述の加熱条件では十分なSi−Co反応が行われず、抵
抗の高いCoSi層が形成され、低抵抗のCoSi2層
が形成されないため、シリサイド層自体の比抵抗が大き
くなり、それによって、ソース・ドレイン電極全体の抵
抗が大きくなる。
した場合のシート抵抗の配線層幅依存性を示した図であ
り、配線層幅依存性は殆ど見られないものの、Si層上
にCoシリサイド層を形成した場合と比較すると、約2
0倍シート抵抗値が増加している。
とSiとは1:2の比率でのみシリサイドを形成するの
で、即ち、TiSi2 のみを形成するので、上述の加熱
条件では十分なSi−Ti反応が起こらず、未反応のT
i層が残存し、必要な厚さのTiシリサイド層を形成す
ることができないという問題がある。
び時間で熱処理した場合には、サイドウォール上に堆積
した金属層もシリサイド化して、ソース・ドレイン領域
とゲート電極とがシリサイド層を介して短絡してしまう
という問題が生ずる。
は、上述の加熱条件では、金属と実効的に反応しないた
め、シリサイドを形成した領域におけるGeがシリサイ
ドを構成しない領域に拡散して、残存するSi1-x Ge
x 層の混晶比xを変化させてしまうという問題がある。
む半導体層と金属層とを反応させて低抵抗のシリサイド
層を所望の厚さに形成することを目的とする。
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図1(a)乃至(c)参照 (1)本発明は、半導体装置の製造方法において、半導
体1上に、Six (Gey C1-y )1-x 層2及びSiv
(Gew C1-w )1-v 層3(但し、0<x<v≦1,y
≦1,w≦1)を順次堆積させたのち、Siv (Gew
C1-w )1-v 層3上に金属層4を堆積させ、加熱処理に
より金属化合物層5,6を形成することを特徴とする。
抗の金属化合物層5,6、即ち、シリサイド電極を形成
する場合に、金属層4側が高Si比のSi組成比の異な
る二層構造にすることによって、半導体1側には任意の
禁制帯幅を有するSix (Gey C1-y )1-x 層2を設
けることができ、それによって金属化合物層6とSi x
(Gey C1-y )1-x 層2との界面のショットキー障壁
を低くすることができ、且つ、金属化合物層5,6を形
成する側のSiv (Gew C1-w )1-v 層3のSi比を
大きくしておくことによってシリサイド化反応が阻害さ
れることがないので、低抵抗のシリサイド電極を形成す
ることができる。なお、通常は、シリサイド化反応は、
サイドウォール上の金属層4のシリサイド化を防止する
ために、図1(b)→(c)に示すように二段階反応で
行う。
て、Siv (Gew C1-w )1-v 層3の厚さを、堆積さ
せる金属層4の膜厚により決定しておくことを特徴とす
る。
3は完全にシリサイド化する必要があるので、Si
v (Gew C1-w )1-v 層3の厚さは、堆積させる金属
層4の膜厚により決定する。
(2)において、Six (Gey C1- y )1-x 層2の組
成比を、堆積させる金属層4の膜厚、及び、Siv (G
ew C 1-w )1-v 層3の組成比及び膜厚によって決定す
ることを特徴とする。
イド化反応の際に、化合物を形成しないGeはSi
x (Gey C1-y )1-x 層2側へ拡散し、Six (Ge
y C1-y)1-x 層2の組成比を変化させるので、この半
導体1側に設けるSix (GeyC1-y )1-x 層2の組
成比は、Geの拡散を考慮して最終的に得たい組成比よ
りGe組成比を小さくする必要があり、この場合の組成
比は、堆積させる金属層4の膜厚、及び、Siv (Ge
w C1-w )1-v 層3の組成比及び膜厚によって決定す
る。
態を図2及び図3を参照して説明する。 図2(a)参照 まず、n型シリコン基板11を選択酸化することによっ
て素子分離酸化膜12を形成したのち、素子形成領域に
Bを導入してp型ウエル領域13を形成する。次いで、
p型ウエル領域13の表面に絶縁膜を形成したのちn+
型多結晶Si膜を堆積させ、パターニングすることによ
ってゲート絶縁膜14及びゲート電極15を形成する。
次いで、このゲート電極15をマスクとしてAsをイオ
ン注入することによってn型LDD(Lightly
Doped Drain)領域16を形成したのち、全
面にSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すこ
とによってサイドウォール17を形成する。次いで、ゲ
ート電極15及びサイドウォール17をマスクとしてA
sをより高エネルギーでイオン注入することによってn
+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領域19を形成
することによって、nチャネル型MOSFETの基本的
構成部分が完成する。
ち、SiH4 とGeH4 とを用いた選択CVD法によっ
て、露出しているゲート電極15、n+ 型ソース領域1
8、及び、n+ 型ドレイン領域19上に、厚さが10〜
60nm、例えば、30nmで、As濃度が、例えば、
5×1020cm-3のSi0.53Ge0.47層20を堆積さ
せ、引き続いて、厚さが、例えば、40nmで、As濃
度が、例えば、3×1019cm-3のSi0.9 Ge0.1 層
21を堆積させる。この場合、成長ガス雰囲気中にGe
が含まれているので、良好な選択成長が可能になり、素
子分離酸化膜12等の絶縁膜の上には堆積しない。な
お、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領域19
に接するSiGe層の最終的な組成比をSi0.5 Ge
0.5 層にするために、Geの拡散分を見込んでSi0.53
Ge0.47層20としている。
ば、10nmのCo層22を堆積させる。なお、この場
合のCo層22の膜厚は、必要とするシリサイド層の厚
さによって決定されるものであり、このCo層22の膜
厚によってSi0.9 Ge0.1 層21の厚さが決定される
ことになる。
500℃の温度で、10〜900秒、例えば、30秒間
の急速熱処理(Rapid ThermalAnnea
ling:RTA)を施すことによって、Co層22と
Si0.9 Ge 0.1 層21を反応させてCoSi層23を
形成する。この場合、素子分離酸化膜12及びサイドウ
ォール17等の絶縁膜の上に堆積したCo層22は未反
応のまま未反応Co層24,25として残存する。な
お、より高温でより長時間熱処理すると、低抵抗相のC
oSi2 層を形成することができるが、サイドウォール
17の露出表面に堆積したCo層22もシリサイド化し
てゲート電極15とn+ 型ソース領域18及びn+ 型ド
レイン領域19とが短絡することになるので望ましくな
い。
分間エッチングを行うことによって未反応Co層24,
25を除去する。
800℃の温度で、10〜900秒、例えば、30秒間
のRTA処理を施すことによってCoSi層23と残り
のSi0.9 Ge0.1 層21を反応させて、低抵抗相のC
oSi2 層26を形成する。
0.1 層21中のGeはCoと反応せずにSi0.53Ge
0.47層20側に拡散し、Si0.53Ge0.47層20の組成
比を変えてSi0.5 Ge0.5 層27となる。したがっ
て、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領域19
に接する側に堆積させるSi1-x Gex 層の組成比は、
Geの拡散を見込んで予めGe組成比xを小さくしてお
く必要があり、小さくする程度は、シリサイド化反応す
る側のSi1-x Gex 層の組成比及び厚さによって決定
されるものであり、また、シリサイド化反応する側のS
i1-x Gex 層の厚さはCo層22の厚さによって決定
されるので、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン
領域19に接するSi1- x Gex 層の組成比はCo層2
2の厚さにも依存することになる。
いては、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領域
19と接するSi1-x Gex 層の最終的な組成比がSi
0.5Ge0.5 層27になるようにしているので、シリサ
イド層/Si1-x Gex 層界面のショットキー障壁の高
さを低くすることができ、シリサイド層/Si1-x Ge
x 層界面のコンタクト抵抗を減少させることができる。
を形成するSi1-x Gex 層をGe比が0.1と小さな
Si0.9 Ge0.1 層21にしているので、Geによりシ
リサイド化反応が阻害されることがほとんどなく、低抵
抗相のCoSi2 層26を形成することができるので、
ソース・ドレイン電極全体を低抵抗化することができ
る。
階で行っているので、サイドウォール17上に堆積した
Co層がシリサイド化することなく、Co層のエッチン
グ工程で除去されるので、n+ 型ソース領域18及びn
+ 型ドレイン領域19とゲート電極15とがシリサイド
層を介して短絡することがない。
第2の実施の形態を説明する。 図4(a)参照 まず、上記の第1の実施の形態と同様にnチャネル型M
OSFETの基本的構成部分を形成したのち、全体を洗
浄により清浄化し、次いで、SiH4 とGeH 4 とを用
いた選択CVD法によって、露出しているゲート電極1
5、n+ 型ソース領域18、及び、n+ 型ドレイン領域
19上に、厚さが10〜60nm、例えば、30nm
で、As濃度が、例えば、5×1020cm-3のSi0.53
Ge0.47層20を堆積させ、引き続いて、厚さが、例え
ば、51nmで、As濃度が、例えば、3×1019cm
-3のSi0.9 Ge0.1 層21を堆積させる。
ば、30nmのTi層28を堆積させる。なお、この場
合のTi層28の膜厚も、必要とするシリサイド層の厚
さによって決定されるものであり、このTi層28の膜
厚によってSi0.9 Ge0.1 層21の厚さが決定される
ことになる。
700℃の温度で、10〜900秒、例えば、30秒間
の急速熱処理(Rapid ThermalAnnea
ling:RTA)を施すことによって、Ti層28の
表面にTiN層30を形成するとともに、Ti層28と
Si0.9 Ge0.1 層21を反応させて準安定な低温相の
結晶であるC−49からなるTiSi2 層29を形成す
る。この場合、熱処理をN2 雰囲気中で行ってTiN層
30を形成することによって、サイドウォール17の露
出表面に堆積したTi層28のシリサイド化反応が抑制
されるので、ゲート電極15とn+ 型ソース領域18及
びn+ 型ドレイン領域19とが短絡することを防止する
ことができる。なお、この場合も絶縁膜上のTi層28
は、未反応Ti層31,33のままでであるとともに、
TiSi2 層29上にも未反応Ti層32が残存する場
合がある。
チング液として用いてTiN膜30及び未反応Ti層3
1,33を除去する。なお、TiSi2 層29上にも未
反応Ti層32の多少残存している場合には、未反応T
i層31,33の除去工程において同時に除去されるこ
とになる。
800℃の温度で、10〜600秒、例えば、30秒間
の急速熱処理(Rapid ThermalAnnea
ling:RTA)を施すことによって、低温相のC−
49からなるTiSi2 層29を、安定で低抵抗な高温
相のC−54からなるTiSi2 層34に変換すること
によってシリサイド電極が完成する。
0.9 Ge0.1 層21中のGeはTiと反応せずにSi
0.53Ge0.47層20側に拡散し、Si0.53Ge0.47層2
0の組成比を変えてSi0.5 Ge0.5 層27となる。し
たがって、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領
域19に接する様に堆積させるSi1-x Gex 層の組成
比は、シリサイド化反応する側のSi1-x Gex 層の組
成比及び厚さ、及び、Ti層28の厚さに依存すること
になる。
いては、n+ 型ソース領域18及びn+ 型ドレイン領域
19と接するSi1-x Gex 層の最終的な組成比がSi
0.5Ge0.5 層27になるようにしているので、シリサ
イド層/Si1-x Gex 層界面のショットキー障壁の高
さを低くして、シリサイド層/Si1-x Gex 層界面の
コンタクト抵抗を減少させることができる。
を形成するSi1-x Gex 層をGe比が0.1と小さな
Si0.9 Ge0.1 層21にしているので、Geによりシ
リサイド化反応が阻害されることがほとんどなく、充分
な厚さのTiSi2 層29、したがって、充分な厚さの
TiSi2 層34を形成することができるので、ソース
・ドレイン電極全体を低抵抗化することができる。
たが、本発明は、各実施の形態に記載した構成及び条件
に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例
えば、上記の各実施の形態の説明においては、格子整合
及びショットキー障壁の高さの低減を考慮してソース・
ドレイン領域に接するSi1-x Gex 層の最終的な組成
がSi0.5 Ge0.5 になるように設定しているが、必ず
しもSi0.5Ge0.5 である必要はなく、組成比は任意
であり、xが大きくなると格子不整合が大きくなるので
エピタキシャル成長が困難になり多結晶になる可能性が
高くなり、一方、xが小さくなると格子整合はとれるが
ショットキー障壁の高さが高くなる。
リサイド化させるSi1-x Gex 層の組成をSi0.9 G
e0.1 としているが、必ずしもSi0.9 Ge0.1 である
必要はなく、ソース・ドレイン領域に接するSi1-x G
ex 層よりSiリッチな層であれば良く、Si(x=
0)であっても良いが、Siの場合には選択成長が困難
になる。但し、必要とするシリサイド層の厚さを考慮す
ると、x≦0.4、即ち、Si/Ge≧1.5とするこ
とが望ましい。
i及びGeを含む層をSi1-x Ge x として構成してい
るが、Cを加えてSix (Gey C1-y )1-x 層として
も良いものである。即ち、原子半径の小さなCを加える
ことによってGeの原子半径の大きさを相殺することが
でき、それによって、ソース・ドレイン領域を構成する
Siと格子整合させることができるので、Ge組成比y
の自由度を高めることができる。なお、Cの組成比(1
−y)(1−x)は、0.05(5.0%)程度以下で
あり、禁制帯幅はCの混入によって寧ろ低減するので、
ショットキー障壁の高さが高くなることはない。
i1-x Gex 層を格子整合が可能なように選択して、単
結晶が成長するようにしているが、必ずしも単結晶であ
る必要はなく、多結晶でも良いし、非晶質でも良く、さ
らには、多結晶と非晶質とが混在した状態の膜でも良
い。但し、低抵抗化の面では、単結晶の方が望ましい。
i1-x Gex 層をCVD法を用いて選択成長させている
が、必ずしもCVD法である必要はなく、スパッタ法或
いは蒸着法を用いても良いものである。さらには、Si
層を堆積させたのちGeをイオン注入してSi1-x Ge
x 層を形成しても良いし、逆に、Ge層を堆積させたの
ちSiをイオン注入してSi1- x Gex 層を形成しても
良い。
は、シリサイド化させる金属層として低抵抗なシリサイ
ド層の得られるCo層或いはTi層を用いているが、C
o或いはTiに限られるものではなく、Ni,Pt,W
等を用いても良いものである。但し、Niシリサイドは
中温で形成されたシリサイドが低抵抗ではあるが不安定
であるので、低抵抗相のシリサイド形成後に高温工程が
ともなった場合、高抵抗のシリサイドに変化するので、
熱工程の管理に注意を要する。また、Wシリサイドは熱
的に安定であるが、比較的抵抗が高く、また、Ptはこ
れらの中間の特性を示す。
は、シリサイド化させる金属層をスパッタ法によって形
成しているが、必ずしもスパッタ法である必要はなく、
用いる金属の融点及び蒸気圧等に応じて、抵抗加熱によ
る蒸着法、電子ビーム蒸着法、或いは、CVD法等を用
いても良いものである。
は、2度のRTA工程をN2 雰囲気中で行っているが、
必ずしもN2 雰囲気である必要はなく、Ar等の他の不
活性ガスを用いても良いものである。
チャネル型MOSFETとして説明しているが、pチャ
ネル型MOSFETにも当然に適用されるのものであ
り、その場合には、各Si1-x Gex 層に不純物として
B等のp型不純物をドープすれば良い。
ース・ドレイン電極及びゲート電極に対するコンタクト
電極として説明しているが、必ずしも、MOS型半導体
装置のコンタクト電極に限られるものではなく、バイポ
ーラ型半導体素子のエミッタ電極,ベース電極,コレク
タ電極を始めとする各種の半導体素子のコンタクト電極
としても用いることができるものである。
れるものではなく、ゲート電極自体としても良いもので
ある。その場合には、ゲート絶縁膜と接する側のSi
1-x Gex 層を堆積させ、ゲート電極としてパターニン
グしたのち、シリサイド化させるSi1-y Gey 層(x
>y)を選択成長させれば良い。但し、シリサイド化に
伴うGeの固相拡散によりゲート電極の組成比が変化
し、それに伴ってしきい値電圧Vthも変化するので、こ
の様なGeの固相拡散量を見込んで、ゲート絶縁膜と接
するSi1-x Gex 層の組成比を制御する必要がある。
等の半導体領域にシリサイドコンタクト電極を形成する
際に、組成比の異なる2層構造のSi1-x Gex 層を用
い、低抵抗相のシリサイド層を形成するためのシリサイ
ド化反応の促進と、ショットキーバリアハイトの低減と
を両立させているので、製造時間の増加や電極間の短絡
を発生させることなしに低抵抗のコンタクト電極を形成
することができ、延いては、高集積度半導体装置の高性
能化及び製造歩留りの向上に寄与するところが大きい。
程の説明図である。
程の説明図である。
程の説明図である。
程の説明図である。
である。
である。
の説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体上に、Six (Gey C1-y )
1-x 層及びSiv (Gew C1-w )1-v 層(但し、0<
x<v≦1,y≦1,w≦1)を順次堆積させたのち、
前記Siv (Gew C1-w )1-v 層上に金属層を堆積さ
せ、加熱処理により金属化合物層を形成することを特徴
とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 上記Siv (Gew C1-w )1-v 層の厚
さを、上記堆積させる金属層の膜厚により決定しておく
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項3】 上記Six (Gey C1-y )1-x 層の組
成比を、上記堆積させる金属層の膜厚、及び、上記Si
v (Gew C1-w )1-v 層の組成比及び膜厚によって決
定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導
体装置の製造方法。
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---|---|---|---|
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- 1999-08-09 JP JP22526699A patent/JP3876401B2/ja not_active Expired - Lifetime
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