JP2001077050A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JP2001077050A
JP2001077050A JP24657899A JP24657899A JP2001077050A JP 2001077050 A JP2001077050 A JP 2001077050A JP 24657899 A JP24657899 A JP 24657899A JP 24657899 A JP24657899 A JP 24657899A JP 2001077050 A JP2001077050 A JP 2001077050A
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film
cobalt
temperature
silicon
region
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Toshihiko Iinuma
俊彦 飯沼
Kyoichi Suguro
恭一 須黒
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form CoSi2 films on source/drain diffused layers without causing a deterioration of the electrical characteristics of a semiconductor device even though a miniaturization of an element is progressed. SOLUTION: Arsenic ions are implanted in a silicon substrate 11 in a state that a substrate temperature is kept at a low temperature of 100 deg.C or lower and thereafter, a heat treatment is performed to form source/drain diffused layers 16 in the substrate 11. Then after cobalt films 19 are respectively deposited on the layers 16, a heat treatment is performed to form CoSi2 films 23 on the layers 16. At this time, this heat treatment is performed by two times. The first heat treatment is performed at a temperature of 400 deg.C or higher to 500 deg.C or lower to form CoSi films 22 and the following heat treatment is performed at a temperature of 800 deg.C or higher to 900 deg.C or lower to change the films 22 into the films 23.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、シリサイド膜の形
成工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a step of forming a silicide film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の微細化の進んだ半導体素子、特に
高速動作を目的としたMOS型FET素子においては、
素子の寄生抵抗を低減するために、ソース/ドレイン拡
散層およびゲート電極(ポリシリコン膜)の表面に自己
整合的に金属珪化物をはりつけるという、いわゆるサリ
サイド技術を用いることが必要になっている。金属珪化
物としては、特にゲート長が0.18μm以下の世代に
おいては、コバルトダイシリサイド(CoSi2 )が広
く用いられるようになってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices which have been miniaturized, especially MOS-type FET devices intended for high-speed operation,
In order to reduce the parasitic resistance of the device, it is necessary to use a so-called salicide technique in which a metal silicide is self-aligned onto the surfaces of the source / drain diffusion layers and the gate electrode (polysilicon film). As a metal silicide, cobalt disilicide (CoSi 2 ) has come to be widely used, especially in a generation having a gate length of 0.18 μm or less.

【0003】図11は、従来のコバルトサリサイドプロ
セスを用いたMOS型FET素子の製造方法を示す工程
断面図である。まず、図11(a)に示すように、(1
00)面方位を持つn型のシリコン基板61上に、素子
分離絶縁膜(シリコン酸化膜)62、p型のウェル拡散
層63を形成する。
FIG. 11 is a process sectional view showing a method for manufacturing a MOS type FET device using a conventional cobalt salicide process. First, as shown in FIG.
00) An element isolation insulating film (silicon oxide film) 62 and a p-type well diffusion layer 63 are formed on an n-type silicon substrate 61 having a plane orientation.

【0004】次に図11(b)に示すように、ゲート酸
化膜64を形成した後、その上にアンドープのポリシリ
コン膜を堆積し、これをパターニングしてゲート電極6
5を形成する。次に同図(b)に示すように、砒素のイ
オン注入とRTA等の熱処理によって、n型の浅いソー
ス/ドレイン拡散層(エクステンション)66を形成す
る。
[0004] Next, as shown in FIG. 11 (b), after forming a gate oxide film 64, an undoped polysilicon film is deposited thereon, and is patterned to form a gate electrode 6.
5 is formed. Next, as shown in FIG. 3B, an n-type shallow source / drain diffusion layer (extension) 66 is formed by arsenic ion implantation and heat treatment such as RTA.

【0005】次に図11(c)に示すように、全面にシ
リコン窒化膜を堆積し、これにRIE等の異方性エッチ
ングを施すことにより、ゲート側壁絶縁膜(スペーサ)
としてのシリコン窒化膜67を形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, a silicon nitride film is deposited on the entire surface, and anisotropic etching such as RIE is performed on the silicon nitride film to form a gate sidewall insulating film (spacer).
A silicon nitride film 67 is formed.

【0006】次に同図11(c)に示すように、シリコ
ン窒化膜67およびゲート電極65をマスクにして砒素
のイオン注入を行って、n型の深いソース/ドレイン拡
散層68を形成する。
Next, as shown in FIG. 11C, arsenic ions are implanted using the silicon nitride film 67 and the gate electrode 65 as a mask to form an n-type deep source / drain diffusion layer 68.

【0007】この後、RTA等の熱処理によって、ソー
ス/ドレイン拡散層66,67中の砒素の活性化を行
う。このとき、ソース/ドレイン拡散層66,67の形
成時のイオン注入でゲート電極65中に導入された砒素
も活性化する。その結果、ゲート電極65の抵抗は電極
として使用できる程度まで下がる。
After that, arsenic in the source / drain diffusion layers 66 and 67 is activated by a heat treatment such as RTA. At this time, arsenic introduced into the gate electrode 65 by ion implantation at the time of forming the source / drain diffusion layers 66 and 67 is also activated. As a result, the resistance of the gate electrode 65 decreases to such a degree that it can be used as an electrode.

【0008】次に希弗酸等を用いてソース/ドレイン拡
散層68およびゲート電極65の表面に残存している自
然酸化膜、ケミカルオキサイド膜等のシリコン酸化膜を
除去した後、図11(d)に示すように、全面にコバル
ト膜69を堆積する。
Then, after removing the silicon oxide film such as the natural oxide film and the chemical oxide film remaining on the surface of the source / drain diffusion layer 68 and the gate electrode 65 using dilute hydrofluoric acid or the like, FIG. As shown in (), a cobalt film 69 is deposited on the entire surface.

【0009】次に図11(e)に示すように、450〜
550℃程度のランプアニールによって、ソース/ドレ
イン拡散層68およびゲート電極65の表面とコバルト
膜69とをそれぞれ反応させ、コバルトモノシリサイド
(CoSi)膜70を形成する。このとき、素子分離絶
縁膜(SiO2 膜)62およびシリコン窒化膜67上の
コバルト膜69は反応せずにコバルト膜の状態で残った
ままとなる。
Next, as shown in FIG.
The surface of the source / drain diffusion layer 68 and the surface of the gate electrode 65 react with the cobalt film 69 by lamp annealing at about 550 ° C. to form a cobalt monosilicide (CoSi) film 70. At this time, the cobalt film 69 on the element isolation insulating film (SiO 2 film) 62 and the silicon nitride film 67 does not react and remains in the state of the cobalt film.

【0010】最後に、図11(f)に示すように、硫酸
と過酸化水素水の混合液等のエッチング液を用いて未反
応のコバルト膜69を除去した後、700〜850℃程
度のランプアニールによって、コバルトモノシリサイド
(CoSi)膜70をそれよりも低抵抗のコバルトダイ
シリサイド(CoSi2 )膜71に変化させる。
Finally, as shown in FIG. 11 (f), after removing the unreacted cobalt film 69 using an etching solution such as a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide, a lamp at about 700 to 850 ° C. The annealing changes the cobalt monosilicide (CoSi) film 70 into a cobalt disilicide (CoSi 2 ) film 71 having a lower resistance.

【0011】ところで、近年の微細トランジスタ、特に
高速ロジック用のnチャネルMOS型FET素子の製造
においては、ゲート長の縮小に伴って素子特性が劣化す
るという、いわゆる短チャネル効果の発生を抑制するた
めに、高濃度かつ浅いソース/ドレイン拡散層の形成が
求められるようになってきている。
In recent years, in the manufacture of fine transistors, especially n-channel MOS FET devices for high-speed logic, the so-called short channel effect, which is a phenomenon in which device characteristics are degraded with a reduction in gate length, is suppressed. In addition, formation of a high concentration and shallow source / drain diffusion layer has been required.

【0012】この種のMOS型FET素子のソース/ド
レイン拡散層の形成には、従来広く用いられてきたリン
のイオン注入に代えて、図11(c)の工程で説明した
ような砒素のイオン注入が用いられている。その理由
は、砒素はシリコン中の拡散係数が小さく、高濃度の拡
散層を形成しやすいからである。
In forming the source / drain diffusion layers of this type of MOS type FET device, arsenic ions as described in the step of FIG. 11C are used instead of phosphorus ion implantation which has been widely used in the past. Injection has been used. The reason is that arsenic has a small diffusion coefficient in silicon and easily forms a high concentration diffusion layer.

【0013】図12に、砒素のイオン注入によって形成
した拡散層の深さ方向の砒素の濃度分布(不純物濃度プ
ロファイル)を示す。これは、(100)面方位のシリ
コン基板上に厚さ10nmのシリコン酸化膜を形成し、
加速エネルギー50keV、ドーズ量5×1015cm-3
の条件で砒素イオンを上記シリコン酸化膜を介してシリ
コン基板中に注入した後、1000℃、20秒のランプ
アニールによって不純物活性を行ったときのものであ
る。
FIG. 12 shows an arsenic concentration distribution (impurity concentration profile) in the depth direction of a diffusion layer formed by arsenic ion implantation. This means that a 10 nm thick silicon oxide film is formed on a (100) oriented silicon substrate,
Acceleration energy 50 keV, dose 5 × 10 15 cm -3
After the arsenic ions are implanted into the silicon substrate through the silicon oxide film under the conditions described above, impurity activation is performed by lamp annealing at 1000 ° C. for 20 seconds.

【0014】図から、不純物濃度が5×1017cm-3
まで低下するところが基板表面から120nm程度の深
さのところであるという浅い拡散層が形成されているこ
とが分かる。
From the figure, it is found that the impurity concentration is 5 × 10 17 cm -3.
It can be seen that a shallow diffusion layer is formed where the depth decreases to a depth of about 120 nm from the substrate surface.

【0015】ところで、この従来方法で形成した砒素の
拡散層では、図13(a)に示すように、注入された砒
素によってシリコン基板の表面部分がアモルファス化す
るとともに、イオン注入による(熱)エネルギーでアモ
ルファス化したシリコン基板の表面部分の温度が上昇
し、アモルファスシリコン領域と結晶シリコン領域との
界面付近でシリコンの再結晶が生じる。
By the way, in the arsenic diffusion layer formed by the conventional method, as shown in FIG. 13A, the surface portion of the silicon substrate is made amorphous by the implanted arsenic, and the (thermal) energy by ion implantation is increased. As a result, the temperature of the surface portion of the silicon substrate which has become amorphous increases, and silicon recrystallization occurs near the interface between the amorphous silicon region and the crystalline silicon region.

【0016】この再結晶化の際に、アモルファスシリコ
ン領域と結晶シリコン領域との界面付近に微小な結晶欠
陥が形成される。この微小な結晶欠陥は、その後の不純
物活性のアニール(前述の例では1000℃、20秒の
ランプアニール)工程でアモルファスシリコンが再結晶
化する際に、図13(b)に示すように、(111)面
方位の結晶欠陥へと成長する。すなわち、上述した従来
の砒素のイオン注入による拡散層の形成方法は、拡散層
内に結晶欠陥を招くという問題がある図14に、前述の
条件で形成した砒素の拡散層の断面TEM写真を示す。
図から、基板表面から80〜90nm程度の深さのとこ
ろに、(111)面方位の結晶欠陥が発生していること
が分かった。
During this recrystallization, minute crystal defects are formed near the interface between the amorphous silicon region and the crystalline silicon region. As shown in FIG. 13B, when the amorphous silicon is recrystallized in the subsequent impurity activity annealing (lamp annealing at 1000 ° C. for 20 seconds in the above-described example) step, as shown in FIG. 111) It grows to a crystal defect of the plane orientation. That is, the above-described conventional method of forming a diffusion layer by arsenic ion implantation has a problem of causing crystal defects in the diffusion layer. FIG. 14 shows a TEM photograph of a cross section of the arsenic diffusion layer formed under the above-described conditions. .
From the figure, it was found that a crystal defect of (111) plane orientation occurred at a depth of about 80 to 90 nm from the substrate surface.

【0017】このような結晶欠陥がソース/ドレイン拡
散層中に発生しても、図15に示すようなMOS型FE
T素子の場合には、結晶欠陥72がソース/ドレイン拡
散層68とウェル拡散層63との接合面から十分に離れ
ているために(30nm程度)、極端な接合不良は起こ
らない。
Even if such crystal defects occur in the source / drain diffusion layers, the MOS type FE as shown in FIG.
In the case of the T element, since the crystal defect 72 is sufficiently separated from the junction surface between the source / drain diffusion layer 68 and the well diffusion layer 63 (about 30 nm), no extreme junction failure occurs.

【0018】しかし、MOS型FET素子の寄生抵抗を
低減するために、図11(f)に示したように、ソース
/ドレイン拡散層68の表面にコバルトシリサイド膜7
1を自己整合的に形成する場合には、結晶欠陥72の存
在によってコバルトシリサイド膜71が基板中に深く食
い込むように形成される場合もある。その結果、図16
に示すように、結晶欠陥の位置よりも深い位置(基板表
面から100nm程度付近)までコバルトシリサイド膜
71が達する恐れがある。
However, in order to reduce the parasitic resistance of the MOS type FET device, a cobalt silicide film 7 is formed on the surface of the source / drain diffusion layer 68 as shown in FIG.
When 1 is formed in a self-aligned manner, the cobalt silicide film 71 may be formed so as to penetrate deep into the substrate due to the presence of the crystal defect 72. As a result, FIG.
As shown in (1), the cobalt silicide film 71 may reach a position deeper than the position of the crystal defect (about 100 nm from the substrate surface).

【0019】このようにコバルトシリサイド膜71がソ
ース/ドレイン拡散層68とウェル拡散層63との接合
面に近づくと、接合面から広がる空乏層がコバルトシリ
サイド膜71またはその近傍に広がるコバルト原子の拡
散層に達してしまう。その結果、接合リーク電流が増加
し、接合不良が生じるという問題が起こる。これは、コ
バルトシリサイド膜を形成するソース/ドレイン拡散層
のプロセス条件について従来は最適化されていなかった
からであるといえる。
As described above, when the cobalt silicide film 71 approaches the junction between the source / drain diffusion layer 68 and the well diffusion layer 63, the depletion layer extending from the junction becomes a diffusion of cobalt atoms extending at or near the cobalt silicide film 71. Layer. As a result, there arises a problem that a junction leak current increases and a junction failure occurs. This is because the process conditions of the source / drain diffusion layers forming the cobalt silicide film have not been optimized conventionally.

【0020】さらに、図11(e)で示した、コバルト
とシリコンとのシリサイド化反応の熱工程(第1RTA
工程)や、図11(f)で示した、CoSi膜からCo
Si 2 膜に変化させる熱工程(第2RTA工程)につい
ても従来は最適化されていなかったといえる。
Further, as shown in FIG.
Process of silicidation reaction between silicon and silicon (1st RTA
Step) and the CoSi film shown in FIG.
Si TwoAbout thermal process (2nd RTA process) to change into film
However, it can be said that it has not been optimized in the past.

【0021】その理由の1つは、これまで説明してきた
ような、ソース/ドレイン拡散層内に存在する結晶欠陥
や、コバルト膜とシリコン領域(ソース/ドレイン拡散
層,ゲート電極であるポリシリコン膜)との界面に存在
する自然酸化膜等のシリコン酸化膜によって、コバルト
シリサイド膜とシリコン領域との界面部分の凹凸が大き
くなってしまうため、シリサイデーションの熱工程を最
適化しても、ほとんど効果が見られなかったためであ
る。
One of the reasons is that the crystal defects existing in the source / drain diffusion layers, the cobalt film and the silicon region (the source / drain diffusion layers, the polysilicon film serving as the gate electrode, etc.) Due to the silicon oxide film such as a natural oxide film present at the interface between the cobalt silicide film and the silicon region, the unevenness at the interface between the cobalt silicide film and the silicon region becomes large. Was not seen.

【0022】そのため、第1RTA工程のアニール温度
はコバルト膜とシリコン領域とが反応し、CoSi膜を
形成できる温度範囲(400〜600℃)、第2RTA
工程のアニール温度は第1RTA工程で形成されたCo
Si膜を完全にCoSi2 膜に変化させるのに十分な温
度(650℃以上)になるように選ばれていたがが、そ
れ以上の最適化はあまり行われてはいなかった。
For this reason, the annealing temperature in the first RTA step is in a temperature range (400 to 600 ° C.) in which the cobalt film reacts with the silicon region to form a CoSi film, and the second RTA
The annealing temperature of the process is the same as that of Co formed in the first RTA process.
The temperature was selected to be sufficient (650 ° C. or higher) to completely change the Si film into a CoSi 2 film, but further optimization has not been performed much.

【0023】しかし、本発明者らの研究によれば、第1
RTA工程においては、そのアニール温度によってはコ
バルトシリサイド膜のモフォロジー、特にシリサイド膜
とシリコン領域との界面の平坦性が変化し(低温になる
ほど平坦性は向上する)、第2RTA工程においては、
そのアニール温度や昇温レートの違いによって、シリサ
イド膜の下部のシリコン領域に広がるコバルト原子の拡
散のされ方が変化する(高温、高昇温レートほどシリサ
イド膜から広がるコバルト原子の拡散がは抑制される)
ことが判明している。
However, according to the study of the present inventors, the first
In the RTA process, depending on the annealing temperature, the morphology of the cobalt silicide film, particularly the flatness of the interface between the silicide film and the silicon region changes (the lower the temperature, the better the flatness), and in the second RTA process,
Differences in the annealing temperature and the rate of temperature rise change the manner in which cobalt atoms spread in the silicon region below the silicide film. (The diffusion of cobalt atoms spreading from the silicide film at higher temperatures and higher rates of temperature is suppressed. )
It turns out that.

【0024】したがって、これまで述べてきた問題点、
特にソース/ドレイン拡散層内に残る結晶欠陥を低減さ
せた場合には、第1および第2RTA工程の条件を最適
化する効果が大きくなる。
Therefore, the problems described so far,
In particular, when the crystal defects remaining in the source / drain diffusion layers are reduced, the effect of optimizing the conditions of the first and second RTA processes is increased.

【0025】さらにまた、図11(d)に示したコバル
ト膜の成膜温度(基板温度)についても従来は最適化が
なされていなかった。以下、その点について詳細に説明
する。
Furthermore, the film forming temperature (substrate temperature) of the cobalt film shown in FIG. 11D has not been optimized conventionally. Hereinafter, this point will be described in detail.

【0026】コバルト膜は、サリサイド工程のアニール
によってシリコン領域と反応し、コバルトシリサイド膜
を形成するが、シリコン酸化膜とは全く反応しないとい
う特徴を持つ。
The cobalt film reacts with the silicon region by annealing in the salicide process to form a cobalt silicide film, but has a feature that it does not react with the silicon oxide film at all.

【0027】そのため、図11(d)においては、コバ
ルト膜69を堆積する前に、希弗酸等の薬液処理でソー
ス/ドレイン拡散層68の表面や、ゲート電極65の表
面に残存している自然酸化膜等のシリコン酸化膜を除去
してから、コバルト膜69の成膜を行っている。
For this reason, in FIG. 11D, before the cobalt film 69 is deposited, the surface of the source / drain diffusion layer 68 and the surface of the gate electrode 65 remain due to the treatment with a chemical such as dilute hydrofluoric acid. After removing a silicon oxide film such as a natural oxide film, a cobalt film 69 is formed.

【0028】しかし、希弗酸等による自然酸化膜の除去
処理の終了後に急いでコバルト膜69をスパッタ形成す
るための真空装置内に導入しても、シリコン基板61を
大気中で搬送している間に、どうしても数オングストロ
ーム程度の厚さの自然酸化膜が成長してしまう。
However, even after the removal of the natural oxide film with dilute hydrofluoric acid or the like, the silicon substrate 61 is conveyed in the atmosphere even if it is quickly introduced into a vacuum apparatus for forming the cobalt film 69 by sputtering. In the meantime, a natural oxide film having a thickness of about several angstroms grows.

【0029】このわずかな自然酸化膜は、コバルト膜6
9のスパッタ形成の際にコバルト原子の持つ運動エネル
ギーによってミキシングされ、スパッタ形成されたコバ
ルト膜69とシリコン領域65,68との界面に厚さ2
nm程度のコバルト、シリコンおよびシリコン酸化物の
アモルファス層が形成される。
This slight natural oxide film is a cobalt film 6
9 is mixed by the kinetic energy of the cobalt atoms at the time of the sputter formation, and the thickness 2 is formed at the interface between the sputter-formed cobalt film 69 and the silicon regions 65 and 68.
An amorphous layer of cobalt, silicon and silicon oxide of about nm is formed.

【0030】そのため、熱処理によって、コバルト膜6
9と下地のシリコン領域65,68との反応が進行し、
コバルト膜69とシリコン領域65,68との界面には
コバルトシリサイド膜が形成される。
Therefore, the cobalt film 6 is heat-treated.
9 reacts with the underlying silicon regions 65 and 68,
At the interface between the cobalt film 69 and the silicon regions 65 and 68, a cobalt silicide film is formed.

【0031】しかし、特にn型の不純物原子が高濃度に
導入された、ソース/ドレイン拡散層68およびゲート
電極65上のように、自然酸化膜の成長速度の速いシリ
コン領域においては、室温スパッタのように基板温度が
低い場合に、コバルト膜69とシリコン領域65,68
との界面のミキシングを行うためのエネルギーが不足す
る。
However, in the silicon region where the growth rate of the native oxide film is high, such as on the source / drain diffusion layer 68 and the gate electrode 65 into which n-type impurity atoms are introduced at a high concentration, room temperature sputtering is performed. As described above, when the substrate temperature is low, the cobalt film 69 and the silicon regions 65, 68
Insufficient energy to mix the interface with the interface.

【0032】そのため、コバルト膜69とシリコン領域
65,69との反応が阻害される領域が部分的にできて
しまう。その結果、図17に示すように、ゲート長が短
くなると、ゲート電極65のシート抵抗が上昇するとい
う問題が起こる。同様な問題はソース/ドレイン拡散層
69でも起こる。
Therefore, a region where the reaction between the cobalt film 69 and the silicon regions 65 and 69 is inhibited is partially formed. As a result, as shown in FIG. 17, when the gate length is reduced, a problem arises that the sheet resistance of the gate electrode 65 increases. A similar problem also occurs in the source / drain diffusion layer 69.

【0033】その反対に、コバルト膜の成膜時の基板温
度を高くした場合には、次のような問題が起こる。例え
ば、堆積するコバルト膜の膜厚を16nm、コバルト膜
の堆積時のシリコン基板の温度を400℃とした場合に
は、図18の走査式電子顕微鏡(SEM)写真に示すよ
うに、素子分離絶縁膜であるシリコン酸化膜の表面上で
コバルト膜の凝集が生じる。
On the other hand, when the substrate temperature at the time of forming the cobalt film is increased, the following problem occurs. For example, when the thickness of the deposited cobalt film is 16 nm and the temperature of the silicon substrate at the time of depositing the cobalt film is 400 ° C., as shown in the scanning electron microscope (SEM) photograph of FIG. Agglomeration of the cobalt film occurs on the surface of the silicon oxide film which is the film.

【0034】このような凝集が起こる条件でコバルトサ
リサイドプロセスを行うと、図19に示すように、ソー
ス/ドレイン拡散層68の周辺である素子分離絶縁膜
(SiO2 膜)62上に凝集したコバルト膜69’が、
ソース/ドレイン拡散層68との境界部分に集まってし
まい、素子分離絶縁膜(SiO2 膜)62との境界部分
でのコバルトシリサイド膜71’の膜厚が他の部分に比
べて厚くなる。
When the cobalt salicide process is performed under the condition where such agglomeration occurs, as shown in FIG. 19, the cobalt agglomerated on the element isolation insulating film (SiO 2 film) 62 around the source / drain diffusion layer 68. The membrane 69 '
The cobalt silicide film 71 'is gathered at the boundary with the source / drain diffusion layer 68, and the thickness of the cobalt silicide film 71' at the boundary with the element isolation insulating film (SiO 2 film) 62 is larger than other portions.

【0035】このような素子分離絶縁膜(SiO2 膜)
62との境界部におけるコバルトシリサイド膜69の厚
膜化によって、素子分離絶縁膜(SiO2 膜)62との
境界部においてコバルトシリサイド膜71の食い込みは
大きくなる。
Such an element isolation insulating film (SiO 2 film)
By increasing the thickness of the cobalt silicide film 69 at the boundary with the element 62, the penetration of the cobalt silicide film 71 at the boundary with the element isolation insulating film (SiO 2 film) 62 increases.

【0036】このような原因で起こるコバルトシリサイ
ド膜71の大きな食い込みは、前述のイオン注入で生じ
た結晶欠陥で起こるコバルトシリサイド膜71の食い込
みと同様に、接合不良の発生を引き起こす原因となる。
The large bite of the cobalt silicide film 71 caused by such a cause causes the occurrence of a bonding failure similarly to the bite of the cobalt silicide film 71 caused by the crystal defect caused by the above-described ion implantation.

【0037】また、図11に示した従来方法では、図1
1(d)のコバルト膜69の成膜の工程後にコバルト膜
69が大気中に晒されることや、図11(e)のシリサ
イデーションのための熱処理工程の雰囲気中に混じる酸
素によって、コバルト膜69の表面や粒界、コバルト膜
69とシリコン領域値65,68の界面部分が酸化され
てしまう。そのため、均一なコバルトシリサイド膜の形
成が阻害され、シート抵抗が上昇するという問題が起こ
る。
In the conventional method shown in FIG.
The cobalt film 69 is exposed to the air after the step of forming the cobalt film 69 in FIG. 1D, and the oxygen mixed in the atmosphere of the heat treatment step for silicidation in FIG. The surface and grain boundary of 69, and the interface between the cobalt film 69 and the silicon region values 65 and 68 are oxidized. Therefore, there is a problem that formation of a uniform cobalt silicide film is hindered and sheet resistance increases.

【0038】このような問題を解決するために、キャッ
プ膜として窒化チタン膜またはチタン膜を用いたコバル
トシリサイド膜の形成方法が多く用いられている。
In order to solve such a problem, a method of forming a cobalt silicide film using a titanium nitride film or a titanium film as a cap film is often used.

【0039】図20に、キャップ膜として窒化チタン膜
を用いたコバルトシリサイド膜の形成方法(窒化チタン
キャップ)の工程断面図を示す。窒化チタンキャップで
は、シリコン基板81上にコバルト膜82を形成し、そ
の上に窒化チタン膜83を形成してから、熱処理によっ
てコバルトシリサイド(CoSi2 )膜84を形成す
る。
FIG. 20 is a process sectional view of a method of forming a cobalt silicide film using a titanium nitride film as a cap film (titanium nitride cap). In the titanium nitride cap, a cobalt film 82 is formed on a silicon substrate 81, a titanium nitride film 83 is formed thereon, and then a cobalt silicide (CoSi 2 ) film 84 is formed by heat treatment.

【0040】窒化チタンキャップを用いれば、コバルト
膜82の表面や粒界、コバルト膜82とシリコン基板8
1との境界部分の酸化を抑制できるので、CoSi2
84のシート抵抗の上昇を抑制できる。
If a titanium nitride cap is used, the surface and grain boundaries of the cobalt film 82, the cobalt film 82 and the silicon substrate 8
Oxidation at the boundary with 1 can be suppressed, so that an increase in the sheet resistance of the CoSi 2 film 84 can be suppressed.

【0041】しかし、コバルト膜82とシリコン基板8
1との反応(Co+Si→CoSi x )の際に、シリコ
ン基板81(コバルトシリサイド形成領域)に大きな膜
応力がかかり、シリサイデーション反応が不均一に進行
しまうために、接合リーク電流が増大するという問題が
起こる。
However, the cobalt film 82 and the silicon substrate 8
1 (Co + Si → CoSi) xIn the case of Silico
Film on the substrate 81 (cobalt silicide formation area)
Stress is applied and the silicidation reaction proceeds unevenly
Increase the junction leakage current.
Occur.

【0042】図21に、キャップ膜としてチタン膜を用
いたコバルトシリサイド膜の形成方法(チタンキャッ
プ)の工程断面図を示す。チタンキャップでは、シリコ
ン基板91上にコバルト膜92を形成し、その上にチタ
ン膜93を形成してから、熱処理によってコバルトシリ
サイド(CoSi2 )膜94を形成する。
FIG. 21 is a process sectional view showing a method of forming a cobalt silicide film using a titanium film as a cap film (titanium cap). In the titanium cap, a cobalt film 92 is formed on a silicon substrate 91, a titanium film 93 is formed thereon, and then a cobalt silicide (CoSi 2 ) film 94 is formed by heat treatment.

【0043】チタンキャップは、コバルト膜92の表面
や粒界、コバルト膜92とシリコン基板91との界面部
分の酸化を抑制でき、しかも窒化チタンキャップの場合
とは異なり膜応力が大きくないという特徴を持つ。
The titanium cap is characterized in that oxidation of the surface and grain boundaries of the cobalt film 92 and the interface between the cobalt film 92 and the silicon substrate 91 can be suppressed, and unlike the titanium nitride cap, the film stress is not large. Have.

【0044】さらに、チタンキャップには以下のような
効果がある。チタンは強い還元力を持っている。そのた
め、チタン膜93中のチタン原子がコバルト膜92とシ
リコン基板91との界面まで拡散すると、チタン原子が
コバルト膜92とシリコン基板91との界面に残存する
自然酸化膜等のシリコン酸化膜を還元する。
Further, the titanium cap has the following effects. Titanium has a strong reducing power. Therefore, when the titanium atoms in the titanium film 93 diffuse to the interface between the cobalt film 92 and the silicon substrate 91, the titanium atoms reduce a silicon oxide film such as a natural oxide film remaining at the interface between the cobalt film 92 and the silicon substrate 91. I do.

【0045】その結果、コバルト膜92とシリコン基板
91との反応を阻害する物質が無くなり、均一なコバル
トシリサイド膜94を形成でき、接合リーク電流の発生
を抑制できる。
As a result, a substance that hinders the reaction between the cobalt film 92 and the silicon substrate 91 is eliminated, and a uniform cobalt silicide film 94 can be formed, thereby suppressing the occurrence of a junction leak current.

【0046】チタンキャップを用いた場合、コバルト膜
92とシリコン基板91とを反応させる熱処理によっ
て、図21(b)に示すように、チタン膜93とコバル
ト膜92との界面部分でコバルトとチタンとの合金化反
応によって合金層95が生じ、シリサイド反応に寄与す
るコバルトの量が減少してしまい、出来上がりのコバル
トシリサイド膜94の膜厚が薄くなってしまう。このよ
うな不都合は、堆積するコバルトの量を合金層95によ
って失われてしまう分だけ、あらかじめ増やしておくこ
とにより解決できる。
When a titanium cap is used, a heat treatment for reacting the cobalt film 92 and the silicon substrate 91 causes the cobalt and titanium to be removed at the interface between the titanium film 93 and the cobalt film 92 as shown in FIG. An alloy layer 95 is formed by the alloying reaction of the above, and the amount of cobalt contributing to the silicide reaction is reduced, and the thickness of the completed cobalt silicide film 94 is reduced. Such inconvenience can be solved by increasing the amount of deposited cobalt by the amount lost by the alloy layer 95 in advance.

【0047】しかし、チタンキャップを用いた場合、コ
バルト膜92とシリコン基板91とを反応させる熱処理
を窒素雰囲気で行うと、表面からチタン膜93の窒化反
応が進行してしまう。
However, when a titanium cap is used, if the heat treatment for reacting the cobalt film 92 with the silicon substrate 91 is performed in a nitrogen atmosphere, the nitridation reaction of the titanium film 93 proceeds from the surface.

【0048】これにより、チタン膜93は、窒化反応と
合金化反応との競合状態になり、熱処理温度のわずかな
ばらつきによっても出来上がりのコバルトシリサイド膜
94の膜厚がばらついてしまったり、あるいは窒化反応
によって形成された窒化チタン膜の膜応力によって、窒
化チタンキャップの場合と同様に、シリコン基板91
(シリサイド形成領域)に大きな膜応力がかかり、シリ
サイデーション反応が不均一に進行しまうために、接合
リーク電流が増大するという問題が起こる場合がある。
As a result, the titanium film 93 is in a state of competition between the nitriding reaction and the alloying reaction, and the thickness of the completed cobalt silicide film 94 varies due to a slight variation in the heat treatment temperature, or the nitriding reaction occurs. Due to the film stress of the titanium nitride film formed by
Since a large film stress is applied to the (silicide formation region) and the silicidation reaction proceeds non-uniformly, a problem that the junction leakage current increases may occur.

【0049】また、チタン膜93は、シリコン酸化膜を
還元することができると同時に、雰囲気中に存在する酸
素によって非常に酸化されやすいという特徴を持つ。そ
のため、コバルト膜92およびチタン膜93の堆積後に
これらを大気中に晒すときの空気中の酸素や、コバルト
とシリコンとを反応させる熱工程雰囲気に混じる酸素に
よって、チタン膜93の表面が容易に酸化されてしま
う。
The titanium film 93 has a characteristic that it can reduce a silicon oxide film and is very easily oxidized by oxygen present in the atmosphere. Therefore, the surface of the titanium film 93 is easily oxidized by oxygen in the air when these are exposed to the air after the deposition of the cobalt film 92 and the titanium film 93, and oxygen mixed in a thermal process atmosphere for reacting cobalt and silicon. Will be done.

【0050】チタンの酸化物(TiO2 )はこのように
容易に形成されるが、一度形成されたチタン酸化物を除
去することは非常に困難である。そのため、チタンキャ
ップを図11に示したプロセスに適用すると、図11
(e)で説明した硫酸と過酸化水素水の混合液による未
反応のコバルト膜69の選択的なエッチング除去の際
に、チタン膜や窒化チタン膜、チタンとコバルトの合金
膜は同時にエッチング除去可能であるが、チタン酸化物
については完全にはエッチング除去できないために残
る。
Although the oxide of titanium (TiO 2 ) is easily formed in this way, it is very difficult to remove the titanium oxide once formed. Therefore, when the titanium cap is applied to the process shown in FIG.
When the unreacted cobalt film 69 is selectively removed by etching with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide described in (e), the titanium film, titanium nitride film, and titanium-cobalt alloy film can be simultaneously removed by etching. However, titanium oxide remains because it cannot be completely removed by etching.

【0051】その結果、チタン酸化物に覆われた領域で
は不要なコバルト膜やチタン膜等の導電膜が残ってしま
い、素子間やソース/ドレイン・ゲート間などの短絡不
良が発生する場合がある。
As a result, an unnecessary conductive film such as a cobalt film or a titanium film remains in a region covered with the titanium oxide, and a short circuit may occur between elements or between a source / drain / gate. .

【0052】したがって、コバルト膜上にチタン膜を堆
積する構造を用いる場合には、シリサイド化の熱工程の
温度制御を高精度で行う必要があり、またチタン膜を堆
積してから未反応のコバルト膜を選択的に除去するまで
の間の酸化を防止するために、成膜から熱処理までの経
過時間を極力小さくする、保管する雰囲気の酸素量を減
らす、熱処理雰囲気中の残留酸素量を減らす等、工程の
精度を上げねばならなくなる。しかし、これらの解決策
は、製造コストの増大を招くと問題がある。
Therefore, in the case of using a structure in which a titanium film is deposited on a cobalt film, it is necessary to control the temperature of the thermal process for silicidation with high precision. To prevent oxidation before the film is selectively removed, minimize the elapsed time from film formation to heat treatment, reduce the amount of oxygen in the storage atmosphere, reduce the amount of residual oxygen in the heat treatment atmosphere, etc. , The accuracy of the process must be improved. However, these solutions are problematic in that they increase manufacturing costs.

【0053】[0053]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、本発明者
らは、従来のコバルトサリサイドプロセスを用いたMO
S型FET素子の製造方法には、いくつかの最適化され
ていない重要な工程が存在し、その結果として微細化を
進めた場合に接合リーク電流が増大するなどの問題が発
生することを明らかにした。
SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the present inventors have developed an MO using a conventional cobalt salicide process.
It has been clarified that the manufacturing method of the S-type FET device has some important steps that have not been optimized, and as a result, problems such as an increase in junction leakage current will occur when miniaturization is advanced. I made it.

【0054】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、素子の微細化を進めて
も、電気的特性の劣化を招くことなく、不純物拡散領域
上にシリサイド膜を形成することのできる半導体装置の
製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a method in which even if the element is miniaturized, the electrical characteristics are not deteriorated and the silicide is formed on the impurity diffusion region. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of forming a film.

【0055】[0055]

【課題を解決するための手段】[構成]上記目的を達成
するために、本発明(請求項1)に係る第1の半導体装
置の製造方法は、シリコン領域の温度を−100℃以下
に保った状態で、前記シリコン領域に不純物イオンを注
入した後、前記シリコン領域に熱処理を施すことによっ
て、不純物拡散領域を形成する工程と、前記不純物拡散
領域の表面にシリサイド膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] [Structure] In order to achieve the above object, in the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 1), the temperature of the silicon region is maintained at -100 ° C or lower. Forming an impurity diffusion region by implanting impurity ions into the silicon region and then performing a heat treatment on the silicon region, and forming a silicide film on the surface of the impurity diffusion region. It is characterized by the following.

【0056】本発明に係る第1の半導体装置の製造方法
の好ましい形態は次の通りである。
A preferred embodiment of the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is as follows.

【0057】(1) シリサイド膜はCoSi2 膜である。(1) The silicide film is a CoSi 2 film.

【0058】(2) 上記(1)において、CoSi2 膜を形
成する工程は、不純物拡散層の表面にコバルト膜を形成
する工程と、第1の熱処理によりコバルト膜と不純物拡
散層とを反応させ、CoSi膜を形成する工程と、第2
の熱処理により前記CoSi膜と不純物拡散層とを反応
させ、CoSi膜をCoSi2 膜に変える工程とを含
む。
(2) In the above (1), the step of forming the CoSi 2 film includes the step of forming a cobalt film on the surface of the impurity diffusion layer and the step of reacting the cobalt film with the impurity diffusion layer by a first heat treatment. Forming a CoSi film;
Reacting the CoSi film with the impurity diffusion layer by the heat treatment to convert the CoSi film into a CoSi 2 film.

【0059】(3) 上記(3)において、第1の熱処理の温
度は400℃以上500℃以下である。
(3) In the above (3), the temperature of the first heat treatment is 400 ° C. or more and 500 ° C. or less.

【0060】(4) 上記(3)において、第2の熱処理の温
度は800℃以上900℃以下である。
(4) In the above (3), the temperature of the second heat treatment is 800 ° C. or more and 900 ° C. or less.

【0061】(5) 上記(3)において、第2の熱処理の昇
温レートは、30℃/秒以上である。
(5) In the above (3), the rate of temperature rise in the second heat treatment is 30 ° C./sec or more.

【0062】(6) 上記(1)〜(5)において、シリコン領域
はシリコン基板、不純物拡散領域はソース拡散層および
ドレイン拡散層の少なくとも一方である。
(6) In the above (1) to (5), the silicon region is a silicon substrate, and the impurity diffusion region is at least one of a source diffusion layer and a drain diffusion layer.

【0063】(7) 不純物拡散層は、上記(6)で述べたも
のの他に、ゲート電極としての不純物が導入されたポリ
シリコン膜を含む。
(7) The impurity diffusion layer includes a polysilicon film doped with an impurity as a gate electrode, in addition to that described in (6) above.

【0064】また、本発明(請求項8)に係る第2の半
導体装置の製造方法は、シリコン領域の所定領域と接す
る金属膜を形成する工程と、熱処理により前記シリコン
領域の所定領域と前記金属膜とを反応させ、シリサイド
膜を形成する工程とを有し、前記シリコン領域の温度を
100℃以上かつ前記金属膜が凝集を開始する温度より
も低く設定し、前記金属膜をスパッタリング法により形
成することを特徴とする。
Further, in a second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 8), there is provided a step of forming a metal film in contact with a predetermined region of a silicon region; Reacting with a film to form a silicide film, setting the temperature of the silicon region at 100 ° C. or higher and lower than the temperature at which the metal film starts to aggregate, and forming the metal film by a sputtering method. It is characterized by doing.

【0065】本発明に係る第2の半導体装置の製造方法
の好ましい形態は次の通りである。
A preferred embodiment of the second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is as follows.

【0066】(1) 金属膜はコバルト膜、ニッケル膜また
はパラジウム膜、前記シリサイド膜はコバルトシリサイ
ド膜、ニッケルシリサイド膜またはパラジウムシリサイ
ド膜である。
(1) The metal film is a cobalt film, a nickel film or a palladium film, and the silicide film is a cobalt silicide film, a nickel silicide film or a palladium silicide film.

【0067】(2) シリコン領域の温度を100℃以上2
50℃以下に設定し、前記金属膜をスパッタリング法に
より形成する。
(2) Keep the temperature of the silicon region at 100 ° C. or higher2
The temperature is set to 50 ° C. or lower, and the metal film is formed by a sputtering method.

【0068】また、本発明(請求項11)に係る第3の
半導体装置の製造方法は、シリコン領域の所定領域と接
するコバルト膜を形成する工程と、前記コバルト膜上に
チタン膜、窒化チタン膜を順次形成する工程と、熱処理
により前記シリコン領域の所定領域と前記コバルト膜と
を反応させ、コバルトシリサイド膜を形成する工程とを
有することを特徴とする。
In a third method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 11), there is provided a step of forming a cobalt film in contact with a predetermined region of a silicon region, wherein a titanium film and a titanium nitride film are formed on the cobalt film. Are sequentially formed, and a step of reacting a predetermined region of the silicon region with the cobalt film by heat treatment to form a cobalt silicide film.

【0069】本発明に係る第2の半導体装置の製造方法
およびその好ましい形態、ならびに本発明に係る第3の
半導体装置の製造方法において、シリコン領域はシリコ
ン基板、所定領域はソース拡散層およびドレイン層の少
なくとも一方である。所定領域は、その他に、ゲート電
極としての不純物が導入されたポリシリコン膜を含んで
いても良い。
In the method of manufacturing the second semiconductor device according to the present invention and its preferred embodiment, and in the method of manufacturing the third semiconductor device according to the present invention, the silicon region is a silicon substrate, and the predetermined regions are a source diffusion layer and a drain layer. At least one. The predetermined region may also include a polysilicon film into which an impurity as a gate electrode has been introduced.

【0070】[作用]本発明(請求項1)によれば、シ
リコン領域を−100℃以下に保った状態で、イオン注
入と熱処理を用いて不純物拡散領域を形成することによ
り、シリサイド膜の食い込みの原因となる不純物拡散領
域内の結晶欠陥の発生を効果的に防止できるようにな
る。この点については、さらに実施の形態の項で詳述す
る。したがって、本発明によれば、素子の微細化を進め
ても、接合不良等の電気的特性の劣化を招くことなく、
シリコン領域上にシリサイド膜を形成することができる
ようになる。
[Operation] According to the present invention (claim 1), the impurity diffusion region is formed by ion implantation and heat treatment while the silicon region is kept at -100 ° C. or lower, so that the silicide film bites. It is possible to effectively prevent the generation of crystal defects in the impurity diffusion region which causes the above. This point will be further described in the embodiment section. Therefore, according to the present invention, even if the element is miniaturized, the electrical characteristics such as bonding failure do not deteriorate,
A silicide film can be formed on a silicon region.

【0071】また、本発明(請求項8)によれば、シリ
コン領域の温度を100℃以上にしてシリサイド膜の金
属の供給源となる金属膜を形成することによって、シー
ト抵抗の増加を効果的に防止できるようになる。この点
については、さらに実施の形態の項で詳述する。したが
って、本発明によれば、素子の微細化を進めても、シー
ト抵抗の増加等の電気的特性の劣化を招くことなく、シ
リコン領域上にシリサイド膜を形成することができるよ
うになる。
According to the present invention (claim 8), by increasing the temperature of the silicon region to 100 ° C. or more and forming a metal film serving as a metal supply source of the silicide film, the sheet resistance can be effectively increased. Can be prevented. This point will be further described in the embodiment section. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a silicide film on a silicon region without deteriorating electrical characteristics such as an increase in sheet resistance even if the element is miniaturized.

【0072】また、本発明(請求項11)によれば、コ
バルトシリサイド膜のコバルトの供給源となるコバルト
膜のキャップ膜として、チタン膜と窒化チタン膜との積
層膜を用いることによって、キャップ膜としてチタン膜
または窒化チタン膜の単層膜を用いた従来方法の問題を
解決できる。この点については、さらに実施の形態の項
で詳述する。したがって、本発明によれば、素子の微細
化を進めても、シート抵抗の増加等の電気的特性の劣化
を招くことなく、シリコン領域上にシリサイド膜を形成
することができるようになる。この点については、さら
に実施の形態の項で詳述する。
Further, according to the present invention (claim 11), a cap film of a titanium film and a titanium nitride film is used as a cap film of a cobalt film serving as a cobalt supply source of the cobalt silicide film. Can solve the problem of the conventional method using a single-layer film of a titanium film or a titanium nitride film. This point will be further described in the embodiment section. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a silicide film on a silicon region without deteriorating electrical characteristics such as an increase in sheet resistance even if the element is miniaturized. This point will be further described in the embodiment section.

【0073】[0073]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings.

【0074】(第1の実施形態)従来の技術の項で説明
したように、イオン注入を用いた拡散層の形成方法、特
に砒素を用いた高濃度のソース/ドレイン拡散層の形成
方法では、ソース/ドレイン拡散層内に(111)面方
位の結晶欠陥が発生する。
(First Embodiment) As described in the section of the prior art, in the method of forming a diffusion layer using ion implantation, particularly the method of forming a high concentration source / drain diffusion layer using arsenic, Crystal defects of (111) plane orientation are generated in the source / drain diffusion layers.

【0075】この結晶欠陥は、イオン注入中の注入エネ
ルギー(熱エネルギー)によって、基板表面部のアモル
ファス化したシリコン領域が再結晶化する際に、アモル
ファス領域と結晶シリコン領域との界面部分に形成され
たものであり、その後の不純物活性化のアニールの際に
成長する。
This crystal defect is formed at the interface between the amorphous region and the crystalline silicon region when the amorphous silicon region on the substrate surface is recrystallized by the implantation energy (thermal energy) during the ion implantation. And grows during subsequent annealing for impurity activation.

【0076】したがって、図1に示すように、イオン注
入の際にシリコン基板の基板温度を100℃以下に冷却
することによって、砒素イオンの注入によってアモルフ
ァス化した基板表面部のアモルファス領域が、再結晶化
するための熱エネルギーを得られないように保っておけ
ば、イオン注入直後の微小な結晶欠陥の発生を抑制する
ことが可能になり、その後の不純物活性化のアニールを
経ても、(111)面方位の結晶欠陥は形成されること
は無くなる。
Therefore, as shown in FIG. 1, by cooling the substrate temperature of the silicon substrate to 100 ° C. or less at the time of ion implantation, the amorphous region on the surface of the substrate which has become amorphous by the implantation of arsenic ions is recrystallized. If the thermal energy for the activation is not obtained, it is possible to suppress the generation of minute crystal defects immediately after the ion implantation, and it is possible to suppress the occurrence of (111) even after annealing for impurity activation. No crystal defects in the plane orientation are formed.

【0077】ここで、基板温度を特に−100℃以下の
低温にした理由は、−100℃以下の場合には、イオン
注入による欠陥密度が測定精度の範囲において0%であ
ることが分かったからである。
The reason for setting the substrate temperature to a low temperature of -100 ° C. or less is that when the temperature was -100 ° C. or less, it was found that the defect density by ion implantation was 0% in the range of the measurement accuracy. is there.

【0078】このようなイオン注入によって引き起こさ
れる結晶欠陥の形成を抑制した状態では、シリサイデー
ションの熱処理工程の最適化による、シリサイド・シリ
コン界面の平坦性向上が大きな意味を持つようになる。
In a state where the formation of crystal defects caused by such ion implantation is suppressed, the improvement of the flatness of the silicide-silicon interface by optimizing the heat treatment step of silicidation has a great significance.

【0079】コバルトを用いたサリサイドプロセスにお
いては、図11(e)で説明したCo+Si→CoSi
反応を生じさせるための第1RTA工程のアニール温度
によってシリサイド膜の平坦牲が変化する。
In the salicide process using cobalt, Co + Si → CoSi explained in FIG.
The flatness of the silicide film changes depending on the annealing temperature in the first RTA process for causing a reaction.

【0080】本発明者らの実験では、第1RTA工程の
アニール温度が550℃を越えるような高温アニールの
場合、コバルト膜とシリコン基板との反応が急激に起
き、30秒程度の短時間アニールでさえ、CoSi膜の
一部がCoSi2 に変化し、膜のモフォロジーを劣化さ
せることが分かっている。
According to the experiments by the present inventors, in the case of high-temperature annealing in which the annealing temperature in the first RTA step exceeds 550 ° C., the reaction between the cobalt film and the silicon substrate occurs rapidly, and the annealing is performed in a short time of about 30 seconds. Even it has been found that a portion of the CoSi film changes to CoSi 2 , degrading the morphology of the film.

【0081】また、この第1RTA工程は、550℃以
下のCoSi2 を形成しない温度領域においても、アニ
ール温度を下げるほどコバルトシリサイド膜のモフォロ
ジーが向上していくことも分かっている。
In the first RTA step, it is also known that the morphology of the cobalt silicide film is improved as the annealing temperature is lowered, even in a temperature range of 550 ° C. or lower where CoSi 2 is not formed.

【0082】ただし、第1RTA工程のアニール温度が
400℃よりも低くなると、30秒程度の短いアニール
時間では、堆積したコバルト膜が完全にシリコンと反応
せずに、図11(f)で述べたような硫酸と過酸化水素
水の混合溶液による選択エッチングエ程で、ソース/ド
レイン拡散層上に堆積されたコバルト膜もエッチングさ
れてしまい、所望のシート抵抗が得られなくなるという
問題が起こるため、アニール温度は400℃以上でなけ
ればならない。
However, if the annealing temperature in the first RTA step is lower than 400 ° C., the deposited cobalt film does not completely react with silicon in the short annealing time of about 30 seconds, and as shown in FIG. Since the cobalt film deposited on the source / drain diffusion layer is also etched during the selective etching process using the mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide, a problem occurs that a desired sheet resistance cannot be obtained. The annealing temperature must be 400 ° C. or higher.

【0083】図2に、第1RTA工程のアニール温度
(アニール時間は全て30秒;第2RTA工程は800
℃、30秒)を変化させ、nチャネルMOSFET素子
のソース/ドレイン拡散層(n+ /p接合)上にコバル
トシリサイド膜を形成したときの、接合リーク電流特性
(逆方向バイアスを5V印可したときの接合リーク電流
の確率度数分布)を示す。
FIG. 2 shows the annealing temperature in the first RTA step (the annealing time was all 30 seconds; the second RTA step was 800
(30 ° C., 30 seconds) to change the junction leakage current characteristics (when a reverse bias of 5 V is applied) when a cobalt silicide film is formed on the source / drain diffusion layer (n + / p junction) of the n-channel MOSFET device. Is shown in FIG.

【0084】図から、アニール温度が低くなるに従い、
大きな接合リーク電流が流れる頻度(不良発生頻度)が
小さくなっていき、特にアニール温度が475℃、45
0℃の場合には、接合不良の発生頻度が著しく低下して
いることが分かる。したがって、第1RTA工程のアニ
ール温度は、500℃以下に抑えることが望ましい。
As can be seen from the figure, as the annealing temperature decreases,
The frequency at which a large junction leak current flows (the frequency of occurrence of defects) becomes smaller.
In the case of 0 ° C., it can be seen that the frequency of occurrence of bonding failure is significantly reduced. Therefore, it is desirable that the annealing temperature in the first RTA step be suppressed to 500 ° C. or less.

【0085】また、コバルトシリサイド膜の周囲に広が
るコバルト原子の拡散層のプロファイルは、主に図11
(f)で説明したCoSi膜からCoSi2 膜へ変化さ
せるためのアニール(第2RTA工程)によって変化す
ることも分かっている。
The profile of the diffusion layer of cobalt atoms spreading around the cobalt silicide film is mainly shown in FIG.
It is also known that the change is caused by the annealing (second RTA step) for changing the CoSi film to the CoSi 2 film described in (f).

【0086】第2RTA工程によって、CoSi膜をC
OSi2 膜に完全に変化させるためには、少なくとも6
50℃、30秒以上の熱工程(サーマルバジェット)が
必要である。
In the second RTA step, the CoSi film is
In order to completely convert to an OSi 2 film, at least 6
A heating step (thermal budget) at 50 ° C. for 30 seconds or more is required.

【0087】しかし、この第2RTA工程のアニール温
度が低い場合、特に700℃以下の場合には、コバルト
シリサイド(CoSi、CoSi2)膜の周囲にコバル
ト原子が溶け出すことが可能になるため、コバルトシリ
サイド膜の周囲に広がるコバルド原子の拡散層が深くな
り、接合不良が生じる恐れがある。
However, when the annealing temperature in the second RTA step is low, particularly when the annealing temperature is 700 ° C. or less, it becomes possible for cobalt atoms to elute around the cobalt silicide (CoSi, CoSi 2) film. The diffusion layer of Kovardo atoms spreading around the film becomes deep, and there is a possibility that poor bonding may occur.

【0088】そのため、第2RTA工程のアニール温度
が高い場合には、コバルトシリサイド(CoSi、Co
Si2 )膜の周囲に溶けだしたコバルト原子が、すぐに
シリコンと反応してCoSi2 に変化するため、コバル
トシリサイド膜の周囲に広がるコバルト原子の拡散層は
浅くなる。
Therefore, when the annealing temperature in the second RTA step is high, cobalt silicide (CoSi, CoSi
Since the cobalt atoms that have melted around the Si 2 ) film immediately react with silicon and change to CoSi 2 , the diffusion layer of the cobalt atoms spreading around the cobalt silicide film becomes shallower.

【0089】図3に、第2RTA工程のアニール温度
(アニール時間は全て30秒:第1RTA工程は500
℃、30秒)を変化させ、nチャネルMOSFET素子
のソース/ドレイン拡散層(n+ /p接合)上にシリサ
イド膜を形成したときの接合リーク電流特性(逆方向パ
イアスを5V印可したときの接合リーク電流の確率度数
分布)を示す。pチャネルMOSFET素子についても
同様に調べてみた。図4にその結果を示す。
FIG. 3 shows the annealing temperature in the second RTA step (the annealing time was all 30 seconds; the first RTA step was 500
(30 ° C., 30 seconds) to change the junction leakage current characteristic when a silicide film is formed on the source / drain diffusion layer (n + / p junction) of the n-channel MOSFET element (junction when applying a reverse bias of 5 V). (Probability frequency distribution of leak current). The p-channel MOSFET device was similarly examined. FIG. 4 shows the result.

【0090】図から、アニール温度が上昇するに従い、
大きな接合リーク電流が流れる頻度(不良発生頻度)が
小さくなっていき、特にアニール温度が800℃、85
0℃の場合には、接合不良の発生頻度が小さいことが分
かる。したがって、第2RTAのアニール温度は、80
0℃以上に保つことが望ましい。
From the figure, it can be seen that as the annealing temperature increases,
The frequency at which a large junction leak current flows (the frequency of occurrence of defects) becomes smaller.
In the case of 0 ° C., it can be seen that the frequency of occurrence of bonding failure is low. Therefore, the annealing temperature of the second RTA is 80
It is desirable to keep the temperature at 0 ° C. or higher.

【0091】ただし、このアニール温度が950℃以上
になると、コバルトシリサイド(CoSi2 )膜の凝集
が起こり、シート抵抗が上昇してしまうため、現実的に
は900℃以下の温度を用いることになる。
However, if the annealing temperature is 950 ° C. or higher, agglomeration of the cobalt silicide (CoSi 2 ) film occurs and the sheet resistance increases. Therefore, a temperature of 900 ° C. or lower is actually used. .

【0092】また、第2RTA工程については、アニー
ル温度に達するまでの昇温レートも重要である。何故な
ら、昇温レートが小さい場合、昇温中にコバルト原子が
シリコン基板中に溶けだしやすくなる700℃以下の温
度でいる時問が長くなり、コバルト原子の拡散が進行し
てしまうからである。
In the second RTA step, the rate of temperature increase until the annealing temperature is reached is also important. This is because, when the rate of temperature rise is small, when the temperature is 700 ° C. or less at which the cobalt atoms are easily melted into the silicon substrate during the temperature rise, the diffusion of the cobalt atoms proceeds.

【0093】図5に、第2RTA工程の昇温レートと、
コバルト原子の拡散深さ(コバルトシリサイド/シリコ
ン界面から、コバルト原子密度が1×1018cm-3以下
になるまでの深さ)との関係を調べた測定結果を示す。
ここでの第2RTA工程の温度、時間はそれぞれ800
℃、30秒である。
FIG. 5 shows the temperature increase rate in the second RTA step,
FIG. 5 shows a measurement result obtained by examining a relationship with a diffusion depth of cobalt atoms (a depth from a cobalt silicide / silicon interface to a cobalt atom density of 1 × 10 18 cm −3 or less).
Here, the temperature and the time of the second RTA process are each 800.
° C for 30 seconds.

【0094】図から、第2RTA程の昇温レートを30
℃/秒以上にすることで、コバル卜原子のシリコン基板
中への拡散を抑制できることが分かる。
From the figure, it can be seen that the heating rate of the second RTA is about 30.
It can be seen that the diffusion of cobalt atoms into the silicon substrate can be suppressed by setting the temperature to at least ° C / sec.

【0095】以上述べたことをまとめると、微細化を進
めても、接合リーク電流の増大という接合不良の発生を
効果的に抑制するためには、以下のようにコバルトサリ
サイドプロセスを最適化すれば良い。
Summarizing the above, in order to effectively suppress the occurrence of a junction failure such as an increase in junction leakage current even if the miniaturization is advanced, it is necessary to optimize the cobalt salicide process as follows. good.

【0096】(1)ソース/ドレイン拡散層の形成時の
イオン注入(特にnM0SPETにおける砒素のイオン
注入)時には、シリコン基板の温度を−100℃以下に
保つ。
(1) At the time of ion implantation (particularly arsenic ion implantation in nM0SPET) when forming the source / drain diffusion layers, the temperature of the silicon substrate is kept at -100 ° C. or lower.

【0097】(2)コバルト膜をCoSi膜に変化させ
る第1RTAエ程のアニール温度は、400℃以上50
0℃以下にする。
(2) The annealing temperature in the first RTA step for changing the cobalt film to the CoSi film is 400 ° C. or more and 50 ° C.
Keep below 0 ° C.

【0098】(3)CoSi膜をCoSi2 膜に変化さ
せる第2RTA工程のアニール温度は、800℃以上9
00℃以下にする。
(3) The annealing temperature in the second RTA step for changing the CoSi film to the CoSi 2 film is 800 ° C. or more.
Keep below 00 ° C.

【0099】(4)第2RTA工程の昇温レートは、3
0℃/秒以上にする。
(4) The rate of temperature increase in the second RTA step is 3
0 ° C / sec or more.

【0100】(第2の実施形態)従来の技術の項で説明
したように、コバルトサリサイド工程において、コバル
ト膜をスパッタにより形成する際の基板温度(成膜温
度)が高すぎる場合には、素子分離絶縁膜であるシリコ
ン酸化膜上でコバルト膜の凝集が生じ、その結果として
ソース/ドレイン拡散層の周辺部での局所的なコバルト
シリサイド膜厚の厚膜化を招き、接合不良が発生しやす
くなり、逆に低すぎる場合にはゲート長が短くなるとゲ
ート電極のシート抵抗が上昇するという問題が起こる。
(Second Embodiment) As described in the section of the prior art, in the cobalt salicide step, if the substrate temperature (film formation temperature) when forming a cobalt film by sputtering is too high, the device Coagulation of the cobalt film occurs on the silicon oxide film, which is the isolation insulating film, and as a result, the thickness of the cobalt silicide film locally increases at the peripheral portion of the source / drain diffusion layer, and a bonding failure is likely to occur. On the other hand, if the gate length is too low, there is a problem that the sheet resistance of the gate electrode increases when the gate length becomes short.

【0101】図6は、コバルト膜のスパッタ時の基板温
度の有効範囲を調べた結果である。図から、コバルト膜
の膜厚が18nmと厚い場合には、300℃の基板温度
においても膜の凝集は生じないが、膜厚が薄くなってい
くに従いより低い基板温度で凝集が生じるようになり、
10nmでは250℃程度、8nnでは200℃程度で
凝集が生じることが分かる。
FIG. 6 shows the result of examining the effective range of the substrate temperature during the sputtering of the cobalt film. From the figure, it can be seen that when the thickness of the cobalt film is as thick as 18 nm, the film does not agglomerate even at a substrate temperature of 300 ° C., but as the film thickness decreases, the agglomeration occurs at a lower substrate temperature. ,
It can be seen that aggregation occurs at about 250 ° C. for 10 nm and about 200 ° C. for 8 nn.

【0102】ゲート長0.15μm世代以降の微細素子
においては、トランジスタの短チャネル効果を抑制する
ためにソース/ドレイン拡散層も非常に浅くなり、堆積
するコバルト膜の膜厚を厚くするとそれだけで接合不良
が起こり易くなるので、コバルト膜の膜厚は12nm程
度以下になると考えられる。
In a fine element having a gate length of 0.15 μm or later, the source / drain diffusion layer becomes very shallow to suppress the short channel effect of the transistor. Since the defect is likely to occur, the thickness of the cobalt film is considered to be about 12 nm or less.

【0103】また、コバルト膜の膜厚が6nmまで薄く
なると、コバルトシリサイド膜のシート抵抗は12〜1
3Ω程度にまで上昇するため、これ以上の薄膜化は寄生
抵抗の低減の観点から採用しにくくなる。
When the thickness of the cobalt film is reduced to 6 nm, the sheet resistance of the cobalt silicide film becomes 12 to 1
Since it rises to about 3Ω, it is difficult to further reduce the thickness from the viewpoint of reducing the parasitic resistance.

【0104】したがって、コバルト膜のスパッタ成膜時
の基板温度は、自然酸化膜の存在による細線ゲートパタ
ーンでのシート抵抗の上昇も生じない100℃〜250
℃の間を用いることで、最良の特性が得られることにな
る。
Therefore, the substrate temperature during the sputter deposition of the cobalt film is set to 100 ° C. to 250 ° C., which does not cause an increase in the sheet resistance in the fine line gate pattern due to the presence of the natural oxide film.
Using a temperature in the range of ° C. will give the best properties.

【0105】(第3の実施形態)従来の技術の項で説明
したように、コバルトサリサイド膜の工程において、こ
れまで用いられてきたキャップ膜には、一長一短があ
り、最適なキャップ膜とはいえない。
(Third Embodiment) As described in the section of the prior art, in the process of forming a cobalt salicide film, the cap film used so far has advantages and disadvantages, and although it is an optimum cap film. Absent.

【0106】しかし、本発明者らの研究によれば、キャ
ップ膜としてチタン膜と窒化チタン膜との積層膜を用い
た場合には、従来のキャップ膜の問題を解決できること
が分かった。
However, according to the study of the present inventors, it has been found that when a laminated film of a titanium film and a titanium nitride film is used as the cap film, the problem of the conventional cap film can be solved.

【0107】すなわち、窒化チタン膜をキャップ膜に用
いた場合のコバルト膜に直接加わる窒化チタン膜の膜ス
トレスによるコバルトシリサイド膜の不均一成長の問
題、チタン膜をキャップ膜とした場合のチタン膜の表面
からの窒化の進行による膜ストレスの増大や出来上がり
のコバルトシリサイド膜厚のばらつきの問題、チタン膜
の酸化によってチタン酸化物が容易に形成され、選択エ
ッチングでのエッチング残りが生じやすくなり短絡不良
が起きやすくなるという問題の全てを解決することが可
能である。もちろん、キャップ膜を用いない場合のコバ
ルト膜の堆積後の雰囲気によるコバルト膜/シリコン基
板界面の酸化膜の膜厚増大の問題も解決できる。
That is, the problem of non-uniform growth of the cobalt silicide film due to the film stress of the titanium nitride film directly applied to the cobalt film when the titanium nitride film is used as the cap film, and the problem of the titanium film when the titanium film is used as the cap film. Problems such as increased film stress due to the progress of nitridation from the surface and variations in the finished cobalt silicide film thickness, titanium oxide is easily formed by oxidation of the titanium film, and etching residue is likely to occur in selective etching, resulting in short circuit failure. It is possible to solve all the problems that are more likely to occur. Of course, the problem of an increase in the thickness of the oxide film at the interface between the cobalt film and the silicon substrate due to the atmosphere after the deposition of the cobalt film when the cap film is not used can also be solved.

【0108】このような効果が得られる理由は、窒化チ
タン膜がチタン膜の表面からの酸化や窒化を防止し、チ
タン膜が窒化チタン膜の膜ストレスを緩和し、チタン膜
中のチタン原子がコバルト膜とシリコン基板との界面等
まで拡散し、その界面等に存在する自然酸化膜等を還元
するからだと考えられる。
The reason for obtaining such an effect is that the titanium nitride film prevents oxidation and nitridation from the surface of the titanium film, the titanium film relieves the film stress of the titanium nitride film, and the titanium atoms in the titanium film are reduced. This is considered to be due to diffusion to the interface between the cobalt film and the silicon substrate and the like, reducing the natural oxide film and the like existing at the interface and the like.

【0109】図7に、本発明のキャップ膜を用いたコバ
ルトシリサイド膜の形成方法の工程断面図を示す。この
形成方法では、まず、シリコン基板1上にコバルト膜2
をスパッタ形成し、その後キャップ膜としてのチタン膜
3、窒化チタン膜4を順次コバルト膜2上にスパッタ形
成する。
FIG. 7 is a process sectional view showing a method of forming a cobalt silicide film using a cap film according to the present invention. In this forming method, first, a cobalt film 2 is formed on a silicon substrate 1.
Then, a titanium film 3 as a cap film and a titanium nitride film 4 are sequentially formed on the cobalt film 2 by sputtering.

【0110】次いで、熱処理により、シリコン基板1と
コバルト膜2とを反応させ、コバルトシリサイド膜5を
形成する。このとき、コバルト膜2とチタン膜3とが反
応するので、チタン膜3とコバルトシリサイド膜5との
間にはコバルトとチタンとの合金層6が形成されるこの
ようなコバルト膜2/チタン膜3/窒化チタン膜4の積
層構造を導入したコバルトサリサイドプロセスを用いて
MOS型FET素子を形成し、ポリシリコンゲート電極
のシート抵抗を調べたところ、図8に示すように、0.
12ミクロンのゲート長でもばらつきなしに形成でき、
また接合リーク電流に関しても図9に示すように、接合
不良の発生を容易に抑制できるようになり、さらにサリ
サイド工程の安定性も向上する。
Next, the silicon substrate 1 and the cobalt film 2 are reacted with each other by heat treatment to form a cobalt silicide film 5. At this time, since the cobalt film 2 reacts with the titanium film 3, an alloy layer 6 of cobalt and titanium is formed between the titanium film 3 and the cobalt silicide film 5. A MOS-type FET device was formed by using a cobalt salicide process in which a laminated structure of 3 / titanium nitride film 4 was introduced, and the sheet resistance of the polysilicon gate electrode was measured. As shown in FIG.
It can be formed without variation even with a gate length of 12 microns,
In addition, as shown in FIG. 9, the occurrence of defective junction can be easily suppressed as shown in FIG. 9, and the stability of the salicide process is also improved.

【0111】(第4の実施形態)以上述べてきたよう
に、MOS型FET素子のソース/ドレイン拡散層およ
びポリシリコンゲート電極の表面にコバルトシリサイド
膜を自己整合的にはりつけるコバルトサリサイドプロセ
スには、数々の最適化する点があった。これらの点を最
適化した場合の、MOS型FET素子の製造工程の一例
を、図10の工程断面図を用いて説明する。
(Fourth Embodiment) As described above, the cobalt salicide process for self-aligning a cobalt silicide film on the surface of the source / drain diffusion layers and the polysilicon gate electrode of a MOS FET device includes: There were a number of optimization points. An example of the manufacturing process of the MOS FET device when these points are optimized will be described with reference to the process cross-sectional view of FIG.

【0112】まず、図10(a)に示すように、(10
0)面方位を持つn型のシリコン基板11上に、素子分
離絶縁膜(シリコン酸化膜)12、p型のウェル拡散層
13を形成する。
First, as shown in FIG.
0) An element isolation insulating film (silicon oxide film) 12 and a p-type well diffusion layer 13 are formed on an n-type silicon substrate 11 having a plane orientation.

【0113】次に図10(b)に示すように、ゲート酸
化膜14を形成した後、ゲート電極用のポリシリコン膜
を堆積し、これをパターニングしてポリシリコンゲート
電極(以下、単にゲート電極という)15を形成した
後、砒素のイオン注入とPTA等の熱処理によって、n
型の浅いソース/ドレイン拡散層(エクステンション)
16を形成する。
Next, as shown in FIG. 10B, after a gate oxide film 14 is formed, a polysilicon film for a gate electrode is deposited and patterned to form a polysilicon gate electrode (hereinafter simply referred to as a gate electrode). After the formation of 15), n is implanted by arsenic ion implantation and heat treatment such as PTA.
Shallow source / drain diffusion layer (extension)
16 are formed.

【0114】次に図10(c)に示すように、全面にシ
リコン窒化膜を堆積し、これにRIE等の異方性エッチ
ングを施すことで、ゲート側壁絶縁膜(スペーサ)とし
てのシリコン窒化膜17を形成する。
Next, as shown in FIG. 10C, a silicon nitride film is deposited on the entire surface, and anisotropic etching such as RIE is performed on the silicon nitride film to form a silicon nitride film as a gate sidewall insulating film (spacer). 17 is formed.

【0115】次に同図(c)に示すように、シリコン基
板11を−150℃以下に保った状態で、砒素のイオン
注入とRTA等の熱処理によって、イオン注入による結
晶欠陥の少ないソース/ドレイン拡散層18を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 13C, while the silicon substrate 11 is kept at −150 ° C. or lower, the source / drain with few crystal defects due to ion implantation is subjected to arsenic ion implantation and heat treatment such as RTA. The diffusion layer 18 is formed.

【0116】次に図10(d)に示すように、希弗酸等
を用いて、ソース/ドレイン拡散層18の表面およびゲ
ート電極15の表面に残存している自然酸化膜等のシリ
コン酸化膜を除去した後、シリコン基板の温度を150
℃に保った状態で全面に厚さ12nmのコバルト膜1
9、チタン膜20、窒化チタン膜21を順次スパッタ形
成する。
Next, as shown in FIG. 10D, a silicon oxide film such as a natural oxide film remaining on the surface of the source / drain diffusion layer 18 and the surface of the gate electrode 15 using dilute hydrofluoric acid or the like. Is removed, the temperature of the silicon substrate is raised to 150
A cobalt film 1 having a thickness of 12 nm
9, a titanium film 20, and a titanium nitride film 21 are sequentially formed by sputtering.

【0117】このような基板温度でコバルト膜19をス
パッタ形成することによって、素子分離絶縁膜12上で
のコバルト膜19の凝集を防止できる。さらに、コバル
ト膜19を堆積するシリコン領域(ソース/ドレイン拡
散層18およびゲート電極5の表面部分)上に再形成さ
れた自然酸化膜等のシリコン酸化膜は、スパッタ時の
(熱)エネルギーによってミキシングされるため、コバ
ルトとシリコンとの不均一な反応は効果的に抑制され
る。
By forming the cobalt film 19 by sputtering at such a substrate temperature, the aggregation of the cobalt film 19 on the element isolation insulating film 12 can be prevented. Further, a silicon oxide film such as a natural oxide film re-formed on a silicon region (a surface portion of the source / drain diffusion layer 18 and the gate electrode 5) on which the cobalt film 19 is deposited is mixed by (thermal) energy during sputtering. Therefore, the non-uniform reaction between cobalt and silicon is effectively suppressed.

【0118】次に図10(e)に示すように、450
℃、30秒のランプアニール(第1RTA工程)によ
り、ソース/ドレイン拡散層18およびゲート電極15
の表面とコバルト膜19とをそれぞれ反応させ、CoS
i膜22を形成する。
Next, as shown in FIG.
The source / drain diffusion layer 18 and the gate electrode 15 are formed by lamp annealing (first RTA step) at 30 ° C. for 30 seconds.
Are reacted with the cobalt film 19, respectively.
An i film 22 is formed.

【0119】このとき、キャップ膜である窒化チタン膜
21はチタン膜20の表面からの酸化や窒化を防止し、
チタン膜20はチタン酸化膜21の膜ストレスを緩和す
るとともに、コバルト膜19中を拡散してコバルト膜1
9とシリコン領域(ソース/ドレイン拡散層18、ゲー
ト電極15)の表面との間にある自然酸化膜を還元する
働きをする。
At this time, the titanium nitride film 21 serving as the cap film prevents oxidation and nitridation from the surface of the titanium film 20,
The titanium film 20 relieves the film stress of the titanium oxide film 21 and diffuses in the cobalt film 19 to form the cobalt film 1.
It functions to reduce a natural oxide film existing between the surface 9 and the surface of the silicon region (source / drain diffusion layer 18, gate electrode 15).

【0120】コバルト膜19の上部約1/3は、チタン
膜20の一部と反応してコバルトとチタンとの合金層
(不図示)となり、素子分離絶縁膜(シリコン酸化膜)
12およびシリコン窒化膜17上に堆積されたコバルト
膜19は反応せずにコバルト膜の状態で残る。
The upper third of the cobalt film 19 reacts with a part of the titanium film 20 to become an alloy layer (not shown) of cobalt and titanium, and becomes an element isolation insulating film (silicon oxide film).
The cobalt film 19 deposited on the silicon nitride film 17 and the silicon nitride film 17 does not react and remains in a cobalt film state.

【0121】次に図10(f)に示すように、硫酸と過
酸化水素水の混合液等のエッチング液を用いて、未反応
のコバルト膜19、上記合金層(不図示)、チタン膜1
2および窒化チタン膜13等の不要な膜をエッチング除
去した後、800℃、30秒のランプアニール(第2R
TA工程)により、CoSi膜22を低抵抗なCoSi
膜23に変化させる。
Next, as shown in FIG. 10F, the unreacted cobalt film 19, the alloy layer (not shown), and the titanium film 1 are etched using an etching solution such as a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide.
2 and an unnecessary film such as the titanium nitride film 13 are removed by etching, and then lamp annealing (800R, 30 seconds) is performed.
TA process), the CoSi film 22 is changed to a low-resistance CoSi film.
It is changed to two films 23.

【0122】このランプアニールの際の昇温は30℃/
秒以上の昇温レート、より望ましくは50℃/秒以上の
昇温レートで行う。
The temperature rise during this lamp annealing is 30 ° C. /
The heating is performed at a heating rate of not less than seconds, more preferably at a heating rate of not less than 50 ° C./sec.

【0123】以上のような工程によって、素子の微細化
を進めても、低抵抗かつ接合リーク不良の少ないコバル
トサリサイド膜を安定に形成することができる。
Through the steps described above, a cobalt salicide film having a low resistance and a small junction leakage defect can be stably formed even if the element is miniaturized.

【0124】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態ではコバルト膜
を用いたコバルトシリサイド膜の場合について説明した
が、本発明はニッケル膜を用いたニッケルシリサイド
膜、パラジウム膜を用いたパラジウムシリサイド膜等の
他の高融点金属膜を用いた金属シリサイド膜にも適用で
きる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施できる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the case of a cobalt silicide film using a cobalt film was described, but the present invention relates to a nickel silicide film using a nickel film, another high melting point metal film such as a palladium silicide film using a palladium film. It can be applied to the used metal silicide film. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0125】[0125]

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、不
純物拡散領域の形成条件またはイオン注入条件を最適化
することによって、もしくは所定のキャップ膜を用いる
ことによって、素子の微細化を進めても電気的特性の劣
化を招くことなく、不純物拡散領域上にシリサイド膜を
形成することができるようになる。
As described above in detail, according to the present invention, miniaturization of an element can be promoted by optimizing conditions for forming an impurity diffusion region or ion implantation conditions or by using a predetermined cap film. In addition, the silicide film can be formed on the impurity diffusion region without deteriorating the electrical characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係る不純物拡散層
(シリサイド膜の下地)の形成方法を説明するための図
FIG. 1 is a view for explaining a method for forming an impurity diffusion layer (underlying silicide film) according to a first embodiment of the present invention;

【図2】本発明の第1の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法における第1RTA工程のアニール温
度の違いによる効果(接合リーク電流)を調べた結果を
示す図
FIG. 2 is a diagram showing a result of examining an effect (junction leak current) due to a difference in annealing temperature in a first RTA step in a method for forming a cobalt silicide film according to a first embodiment of the present invention;

【図3】本発明の第1の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法における第2RTA工程のアニール温
度の違いによる効果(n+ /p接合での接合リーク電
流)を調べた結果を示す図
FIG. 3 is a diagram showing a result of examining an effect (junction leakage current at an n + / p junction) due to a difference in annealing temperature in a second RTA step in a method of forming a cobalt silicide film according to the first embodiment of the present invention;

【図4】本発明の第1の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法における第2RTA工程のアニール温
度の違いによる効果(p+ /n接合での接合リーク電
流)を調べた結果を示す図
FIG. 4 is a view showing a result of examining an effect (junction leakage current at ap + / n junction) due to a difference in annealing temperature in a second RTA step in the method of forming a cobalt silicide film according to the first embodiment of the present invention;

【図5】本発明の第1の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法における第2RTA工程の昇温レート
の違いによる効果(Co原子の拡散層深さ)を調べた結
果を示す図
FIG. 5 is a view showing a result of examining an effect (depth of a Co atom diffusion layer) due to a difference in a heating rate in a second RTA step in the method for forming a cobalt silicide film according to the first embodiment of the present invention;

【図6】本発明の第2の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法におけるCoスパッタ時の基板温度の
有効範囲を調べた結果を示す図
FIG. 6 is a diagram showing a result of examining an effective range of a substrate temperature during Co sputtering in a method of forming a cobalt silicide film according to a second embodiment of the present invention;

【図7】本発明の第3の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法を示す工程断面図
FIG. 7 is a process sectional view showing a method for forming a cobalt silicide film according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法の効果(シート抵抗)を説明するため
の図
FIG. 8 is a diagram for explaining the effect (sheet resistance) of the method for forming a cobalt silicide film according to the third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施形態に係るコバルトシリサ
イド膜の形成方法の効果(接合リーク電流)を説明する
ための図
FIG. 9 is a diagram for explaining the effect (junction leakage current) of the method for forming a cobalt silicide film according to the third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第4の実施形態に係るコバルトサリ
サイドプロセスをMOS型FET素子の製造方法を示す
工程断面図
FIG. 10 is a process sectional view showing a method for manufacturing a MOS-type FET device using a cobalt salicide process according to a fourth embodiment of the present invention;

【図11】従来のコバルトサリサイドプロセスを用いた
MOS型FET素子の製造方法を示す工程断面図
FIG. 11 is a process sectional view showing a method for manufacturing a MOS-type FET device using a conventional cobalt salicide process.

【図12】従来の砒素のイオン注入によって形成した拡
散層の深さ方向の砒素の濃度分布(不純物プロファイ
ル)を示す図
FIG. 12 is a diagram showing an arsenic concentration distribution (impurity profile) in a depth direction of a diffusion layer formed by conventional arsenic ion implantation.

【図13】従来のイオン注入法を用いた拡散層の形成方
法の問題点を説明するための図
FIG. 13 is a view for explaining a problem of a conventional method of forming a diffusion layer using an ion implantation method.

【図14】従来のイオン注入法を用いて形成した拡散層
の顕微鏡写真(断面TEM写真)
FIG. 14 is a micrograph (cross-sectional TEM photograph) of a diffusion layer formed by using a conventional ion implantation method.

【図15】従来のイオン注入法を用いてソース/ドレイ
ン拡散層を形成した非サリサイド構造のMOS型FET
素子の断面図
FIG. 15 shows a non-salicide type MOS FET in which source / drain diffusion layers are formed by using a conventional ion implantation method.
Sectional view of element

【図16】従来の砒素イオン注入を用いてソース/ドレ
イン拡散層を形成したサリサイド構造のMOS型FET
素子の断面図
FIG. 16 shows a MOS FET having a salicide structure in which source / drain diffusion layers are formed by using conventional arsenic ion implantation.
Sectional view of element

【図17】従来の低温コバルトサリサイドプロセスを用
いたMOS型FET素子の製造方法の問題点を説明する
ための図
FIG. 17 is a diagram for explaining a problem of a conventional method of manufacturing a MOS FET device using a low-temperature cobalt salicide process.

【図18】スパッタ時の基板温度を高くして形成したコ
バルト膜の顕微鏡写真(SEM)
FIG. 18 is a micrograph (SEM) of a cobalt film formed by increasing the substrate temperature during sputtering.

【図19】従来の高温コバルトサリサイドプロセスを用
いたMOS型FET素子の製造方法の問題点を説明する
ための図
FIG. 19 is a diagram for explaining a problem of a conventional method for manufacturing a MOS FET device using a high-temperature cobalt salicide process.

【図20】従来のキャップ膜として窒化チタン膜を用い
たコバルトシリサイド膜の形成方法を示す工程断面図
FIG. 20 is a process sectional view showing a conventional method of forming a cobalt silicide film using a titanium nitride film as a cap film.

【図21】従来のキャップ膜としてチタン膜を用いたコ
バルトシリサイド膜の形成方法を示す工程断面図
FIG. 21 is a process sectional view showing a conventional method for forming a cobalt silicide film using a titanium film as a cap film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 2…コバルト膜 3…チタン膜 4…窒化チタン膜 5…コバルトシリサイド膜 6…合金層 11…シリコン基板 12…素子分離絶縁膜(シリコン酸化膜) 13…ウェル拡散層 14…ゲート酸化膜 15…ゲート電極 16…エクステンション 17…ゲート側壁絶縁膜(シリコン窒化膜) 18…ソース/ドレイン拡散層 19…コバルト膜 20…チタン膜 21…窒化チタン膜 22…コバルトモノシリサイド(CoSi)膜 23…コバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜REFERENCE SIGNS LIST 1 silicon substrate 2 cobalt film 3 titanium film 4 titanium nitride film 5 cobalt silicide film 6 alloy layer 11 silicon substrate 12 element isolation insulating film (silicon oxide film) 13 well diffusion layer 14 gate oxide Film 15 Gate electrode 16 Extension 17 Gate sidewall insulating film (silicon nitride film) 18 Source / drain diffusion layer 19 Cobalt film 20 Titanium film 21 Titanium nitride film 22 Cobalt monosilicide (CoSi) film 23 Cobalt disilicide (CoSi 2 ) film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 BB20 BB21 BB23 DD26 DD37 DD79 DD80 DD84 GG09 GG10 GG14 HH04 5F040 DA20 EC01 EC07 EC13 EF02 EF09 FA07 FB02 FB04 FC19 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M104 BB20 BB21 BB23 DD26 DD37 DD79 DD80 DD84 GG09 GG10 GG14 HH04 5F040 DA20 EC01 EC07 EC13 EF02 EF09 FA07 FB02 FB04 FC19

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン領域の温度を−100℃以下に保
った状態で、前記シリコン領域に不純物イオンを注入し
た後、前記シリコン領域に熱処理を施すことによって、
不純物拡散領域を形成する工程と、 前記不純物拡散領域の表面にシリサイド膜を形成する工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
An impurity is implanted into the silicon region while maintaining the temperature of the silicon region at -100 ° C. or lower, and then a heat treatment is performed on the silicon region.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an impurity diffusion region; and forming a silicide film on a surface of the impurity diffusion region.
【請求項2】前記不純物イオンは、砒素イオンであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方
法。
2. The method according to claim 1, wherein said impurity ions are arsenic ions.
【請求項3】前記シリサイド膜は、CoSi2 膜である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方
法。
3. The method according to claim 1, wherein the silicide film is a CoSi 2 film.
【請求項4】前記CoSi2 膜を形成する工程は、前記
不純物拡散層の表面にコバルト膜を形成する工程と、第
1の熱処理により前記コバルト膜と前記不純物拡散層と
を反応させ、CoSi膜を形成する工程と、第2の熱処
理により前記CoSi膜と前記不純物拡散層とを反応さ
せ、前記CoSi膜をCoSi2 膜に変える工程とを含
むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造
方法。
4. The step of forming the CoSi 2 film includes a step of forming a cobalt film on a surface of the impurity diffusion layer and a step of reacting the cobalt film and the impurity diffusion layer by a first heat treatment to form a CoSi film. 4. The semiconductor device according to claim 3, further comprising: forming a CoSi film into a CoSi 2 film by reacting the CoSi film and the impurity diffusion layer by a second heat treatment. 5. Manufacturing method.
【請求項5】前記第1の熱処理の温度は、400℃以上
500℃以下であることを特徴とする請求項4に記載の
半導体装置の製造方法。
5. The method according to claim 4, wherein the temperature of the first heat treatment is 400 ° C. or more and 500 ° C. or less.
【請求項6】前記第2の熱処理の温度は、800℃以上
900℃以下であることを特徴とする請求項4に記載の
半導体装置の製造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the temperature of the second heat treatment is not lower than 800 ° C. and not higher than 900 ° C.
【請求項7】前記第2の熱処理の昇温レートは、30℃
/秒以上であることを特徴とする請求項4に記載の半導
体装置の製造方法。
7. The heating rate of the second heat treatment is 30 ° C.
5. The method according to claim 4, wherein the rate is not less than / sec.
【請求項8】前記シリコン領域はシリコン基板、前記不
純物拡散領域はソース拡散層およびドレイン拡散層の少
なくとも一方であることを特徴とする請求項1ないし請
求項7のいずれかに記載に半導体装置の製造方法。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said silicon region is a silicon substrate, and said impurity diffusion region is at least one of a source diffusion layer and a drain diffusion layer. Production method.
【請求項9】シリコン領域の所定領域と接する金属膜を
形成する工程と、熱処理により前記シリコン領域の所定
領域と前記金属膜とを反応させ、シリサイド膜を形成す
る工程とを有し、 前記シリコン領域の温度を100℃以上かつ前記金属膜
が凝集を開始する温度よりも低く設定し、前記金属膜を
スパッタリング法により形成することを特徴とする半導
体装置の製造方法。
9. The method according to claim 1, further comprising: forming a metal film in contact with a predetermined region of the silicon region; and reacting the predetermined region of the silicon region with the metal film by heat treatment to form a silicide film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: setting a temperature of a region to 100 ° C. or higher and lower than a temperature at which the metal film starts to aggregate, and forming the metal film by a sputtering method.
【請求項10】前記金属膜はコバルト膜、ニッケル膜ま
たはパラジウム膜、前記シリサイド膜はコバルトシリサ
イド膜、ニッケルシリサイド膜またはパラジウムシリサ
イド膜であることを特徴とする請求項9に記載の半導体
装置の製造方法。
10. The method according to claim 9, wherein the metal film is a cobalt film, a nickel film or a palladium film, and the silicide film is a cobalt silicide film, a nickel silicide film or a palladium silicide film. Method.
【請求項11】前記シリコン領域の温度を100℃以上
250℃以下に設定し、前記金属膜をスパッタリング法
により形成することを特徴とする請求項10に記載の半
導体装置の製造方法。
11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the temperature of said silicon region is set to 100 ° C. or more and 250 ° C. or less, and said metal film is formed by a sputtering method.
【請求項12】シリコン領域の所定領域と接するコバル
ト膜を形成する工程と、 前記コバルト膜上にチタン膜、窒化チタン膜を順次形成
する工程と、 熱処理により前記シリコン領域の所定領域と前記コバル
ト膜とを反応させ、コバルトシリサイド膜を形成する工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. A step of forming a cobalt film in contact with a predetermined region of the silicon region, a step of sequentially forming a titanium film and a titanium nitride film on the cobalt film, and a heat treatment to heat the predetermined region of the silicon region and the cobalt film. And forming a cobalt silicide film.
【請求項13】前記シリコン領域はシリコン基板、前記
所定領域はソース拡散層およびドレイン層の少なくとも
一方であることを特徴とする請求項9ないし請求項12
のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
13. The semiconductor device according to claim 9, wherein said silicon region is a silicon substrate, and said predetermined region is at least one of a source diffusion layer and a drain layer.
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
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