JP2004022772A - Method of forming film, semiconductor device, and method of manufacturing the device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜方法、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に金属シリサイド膜の選択成長方法、金属シリサイド膜を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最新のLSIプロセスにおいては、MOS型FETのソースおよびドレイン電極(以下、ソース・ドレイン電極という)を形成するのに、サリサイド(Salicide: Self−Aligned Silicide)と呼ばれるプロセスが用いられている。サリサイドプロセスとは、株式会社サイエンスフォーラム発行の「最新版超LSIプロセスデータハンドブック」(1990年)322ページから323ページに詳しく説明されている。
【0003】
図12は、従来のサリサイドプロセスを用いた半導体装置の製造方法を示す工程順に断面図である。まず、シリコン基板301にSTI(shallow trench isolation)法などを用いて、素子分離膜302を形成し、さらにシリコン基板301上にゲート絶縁膜303形成する。次いで、ポリシリコンなどからなるゲート電極形成膜を堆積し、これをパターニングしてゲート電極304を形成する。絶縁膜の堆積と異方性エッチングによりサイドウォール305を形成した後、イオン注入法を用いてソース・ドレイン領域306を形成する〔図12(a)〕。次に、スパッタ法などによりTiなどの金属を堆積して全面に金属膜308を形成する〔図12(b)〕。次いで、熱処理を行って、金属膜308の金属と基板およびゲート電極のSiとを反応させ(シリサイド化反応)、シリコン基板301、ゲート電極304の露出部分にTiSiなどのシリサイド膜307を形成する〔図12(c)〕。その後、絶縁膜上などに残された未反応金属膜309を薬剤によりエッチング除去する〔図12(d)〕。
この方法によれば、リソグラフィ等の加工技術を用いなくても、自己整合的(セルフアライン)に電極を形成したい部分にのみシリサイド膜を形成することが可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては堆積した金属がSiと反応するため、Siが侵食され、Siとシリサイド膜との界面が基板表面よりシリサイド膜厚の1/2程度低い位置に形成されることになる。近年、高速化のために、ソース・ドレイン領域には、極めて浅い接合を実現する不純物ドーピングが行われているが、ソース・ドレイン領域が浅接合に形成された場合にはシリサイド化による反応が接合を破壊する危険がある。また、次世代高性能LSIに有用な超薄膜のSOI(Si on insulator)層を有するSOI基板を用いた場合には、シリサイド化反応によってSOI層がすべて侵食され、抵抗の上昇などのデバイス特性劣化が懸念されている。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、シリサイド化反応によってSiが侵食されることがないようにして、Si/シリサイド膜界面が基板表面より低く形成されることのないようにすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、表面に、単結晶半導体材料の領域、多結晶半導体材料の領域および半導体材料以外の導電性材料からなる導電性材料領域の中の1ないし複数の堆積領域と、非晶質の絶縁性材料からなる非堆積領域と、を有する基板に対して、有機金属原料とSiを含むCVD原料を同時もしくは交互に供給し、前記堆積領域上にのみ選択的に金属シリサイドを堆積することを特徴とする成膜方法、が提供される。
【0006】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、堆積領域となるソース・ドレイン領域およびゲート電極を備え、非堆積領域となる素子分離膜によって素子分離されたMOS型電界効果トランジスタを有する基板に対して、上述された成膜方法を行い、前記ソース・ドレイン領域およびゲート電極上にのみ選択的に金属シリサイドを堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。
【0007】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、ソース・ドレイン領域、チャネル領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極およびソース・ドレイン電極を備えたMOS型電界効果トランジスタを有する半導体装置において、ソース・ドレイン電極の少なくとも一部が金属シリサイド膜からなり、該金属シリサイド膜/半導体界面の位置が、ゲート絶縁膜/半導体界面とほぼ同じ高さであることを特徴とする半導体装置、が提供される。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態を説明するための工程順の断面図である。図1(a)に示すように、半導体基板11上には、選択的にSiO2膜、Si3N4膜あるいは酸窒化膜などからなる絶縁膜12が形成されている。絶縁膜12は、PSGやBPSGのように不純物が添加されたものであってもよい。半導体基板11は典型的にはシリコン基板であるが、少なくとも表面がSiGeになされた半導体基板の場合もある。このように加工された基板は、MOCVD装置内に搬入され、有機金属材料とシラン系などのシリコン化合物原料とが同時にもしくは交互に供給されることにより、図1(b)に示すように、半導体基板11上にのみ選択的に金属シリサイド膜13が形成される。ここで、好ましくは、金属シリサイド膜13は、ニッケル(Ni)シリサイド膜またはコバルト(Co)シリサイド膜である。
【0009】
図2は、本発明の他の実施の形態を説明するための工程順の断面図である。図2(a)に示すように、絶縁性基板21上には、選択的に単結晶あるいは多結晶膜などからなる結晶性膜22が形成されている。ここで、絶縁性基板21の材料としては、図1に示した絶縁膜12と同様なものが想定されている。また、絶縁性基板21は、全体が絶縁体からなる基板ばかりでなく、半導体基板上を絶縁膜で覆ったものであってもよい。結晶性膜22としては、SOI基板のSOI層のような単結晶膜や薄膜トランジスタを形成するための多結晶膜などのようにMOS型トランジスタの能動領域となる半導体膜やゲート電極を形成するための多結晶Si膜、多結晶SiGe膜、金属ナイトライド膜、金属シリサイド膜などが想定されている。このように加工された基板は、MOCVD装置内に搬入され、有機金属材料とシラン系などのシリコン化合物原料とが同時にもしくは交互に供給されることにより、図2(b)に示すように、結晶性膜22上にのみ選択的に金属シリサイド膜23を形成する。ここで、好ましくは、金属シリサイド膜13は、ニッケル(Ni)シリサイド膜またはコバルト(Co)シリサイド膜である。
【0010】
MOCVDに用いられる有機金属原料として、下記一般式[I]および一般式[II]の群の中から一つまたは二つ以上の化合物が用いられる。
【0011】
【化3】
(但し、MはCoまたはNi、nは2または3、R1、R2、R3はHまたはアルキル基である。R1、R2、R3は同一でも異なっていてもよい。)
【0012】
【化4】
(但し、MはCoまたはNi、R1、R2、R3、R4、R5はHまたはアルキル基である。R1、R2、R3、R4、R5は同一でも異なっていてもよい。)
【0013】
また、有機金属原料として、(acac)2Co、(acac)2Co水和物、(acac)3Co、(acac)3Co水和物、(DPM)2Co、(DPM)2Co水和物、(DPM)3Co、(DPM)3Co水和物、(Me2N)2Co、(Et2N)2Co、(Et(Me)N)2Co、[(CH3)C5H4]2Co、[(C2H5)C5H4]2Co、[(i−C3H7)C5H4]2Co、[(n−C4H9)C5H4]2Co、(acac)2Ni、(acac)2Ni水和物、(DPM)2Ni、(DPM)2Ni水和物、(Me2N)2Ni、(Et2N)2Ni、(Et(Me)N)2Ni、[(CH3)C5H4]2Ni、[(C2H5)C5H4]2Ni、[(i−C3H7)C5H4]2Ni、[(n−C4H9)C5H4]2Niの群の中から選ばれる一つまたは二つ以上の化合物が用いられる。
ここで、acacは、1価の陰イオンCH3C(=O)CH=C(O−)CH3を、DPMは、ジピバロイルメタナート(Di Pivaloyl Methanato)を、Meはメチル基を、Etはエチル基を、“i−”は“イソ”を、 “n−”は“ノルマル”を、それぞれ表している。
【0014】
また、本発明の成膜方法において用いられるSiを含むCVD原料は、典型的には、モノシランとジシランである。しかし、一般にSixH(2x+2)(但し、xは1以上の整数)と表される原料が使用可能であり、さらにSixH(2x+2)におけるHを一部またはすべてをアルキル基、Cl、FもしくはIで置換したものやTEOS〔Si(OC2H3)4〕なども使用可能である。
そして、これらの有機金属原料およびSi原料の一方もしくは両方を、熱、プラズマ、光などのエネルギー源を用いて、基板に供給する前にあらかじめ分解させることが望ましい。
しかし、上記の原料を用い上記の方法により成膜しても、形成されたシリサイドは化学量論的組成からずれている可能性がある。そこで、成膜後に、熱処理を行うことがより望ましい。これにより、成膜されたシリサイドによるSiの吸い込みないし吐き出しが行われ、化学量論的組成に近い組成の高品質のシリサイド膜を得ることができる。この熱処理工程は、急速昇降温を伴うRTA(rapid thermal anneal)法で行うことができる。
【0015】
本発明による成膜方法は、MOS型電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域上に電極を形成する際に用いることができる。あるいは、MOS型電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域上およびゲート電極上にシリサイド膜を形成する際に用いることができる。MOS型トランジスタは、バルク型であってもSOI基板上に形成されたものであってもよい。また、絶縁膜(または絶縁基板)上に形成された薄膜トランジスタ(TFT)であってもよい。本発明による成膜方法を用いてソース・ドレイン電極を形成した場合には、シリサイド膜とソース・ドレイン領域との界面をゲート絶縁膜とチャネル領域との界面とほぼ同じ高さにすることができる。二つの界面の高さのずれ(オフセット)をシリサイド膜厚の概ね2/5以下とすることができる。そして、本発明によれば、シリサイド膜形成のためにシリサイド化反応が行われないため、シリサイド膜によるソース・ドレイン電極の突き抜けやシリサイド化によるSOI層の消滅が発生することがなくなり、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【0016】
【実施例】
次に、本発明の実施例について詳細に説明する。
(実施例1)
図3は、本発明の実施例1を説明するための工程順の断面図である。本発明による半導体装置の製造方法においても、ソース・ドレイン領域を形成するまでの工程は、通常のLSIに用いられるMOS型電界効果トランジスタの形成方法と同じである。すなわち、例えば、まず、(100)面を主面とするp型のシリコン基板101にSTIプロセスにより、素子分離膜102を形成し、さらにゲート絶縁膜103をプラズマ酸窒化法で形成する。次いで、SiとSiGeをCVD法により堆積し、この2層膜を通常のフォトリソグラフィと高選択ドライエッチング技術を組み合わせてパターニングして、2層構造のゲート電極104を形成する。その後、CVD法により絶縁膜を堆積し異方性エッチングを行ってサイドウォール105を形成する〔図3(a)〕。
以上の工程により、ソース・ドレイン電極を除いてMOS型電界効果トランジスタがほぼ完成する。この基板は、図4にその概略を示した、MOCVD装置に導入される。MOCVD装置のシリサイド膜堆積室400には、基板加熱ヒータ402によって加熱される基板ホルダー401が備えられており、その上に基板403が載置される。基板温度は熱電対404によって監視されており基板加熱ヒータ402を調整することにより基板温度が所定の値となるようにコントロールされる。シリサイド膜堆積室400には、有機金属原料407、Si原料408、還元ガス409が導入される。各供給ガスの流量は、それぞれ流量制御装置411、412、413により制御される。有機金属原料407は、原料加熱ヒータ410により加熱され気化される。シリサイド膜堆積室400内は、ターボ分子405、油拡散ポンプ406により排気されており、同室内のガス圧が所定の値となるようにコントロールされている。
【0017】
図3(a)に示されるように加工された基板403を基板ホルダー401上にセットし、400℃に加熱しつつ、図5にその構造図が示される有機金属原料407を原料加熱ヒータ410で160℃に加熱し、300ml/minのH2キャリアガスで供給した。同時に、Si原料408としてSi2H6を20ml/minで、還元ガス409としてH2を20ml/minで導入した。以上の条件で5分間の堆積を行い、図3(b)に示すように、ソース・ドレイン領域106上およびゲート電極104上に選択的にシリサイド膜107を形成した。基板を取り出し、電気特性や構造、堆積された膜の組成を測定した。この方法で得られたトランジスタでは、ソース・ドレイン領域106上に堆積されたシリサイド膜107とSiとの界面と、ゲート絶縁膜103とSiの界面とがほぼ同じ高さであることが、FIB(フォーカスト・イオン・ビーム)とTEM(透過型電子顕微鏡)の組み合わせによる評価で確認された。
また、比較のために図12に示した従来法(サリサイドプロセス)を用いたシリサイド製膜も行った。従来法では、スパッタリング法でNi膜を厚さ約30nmに堆積し、550℃30秒のRTA熱処理を加えた。この方法で得たトランジスタでは、図12(d)に示されるように、シリサイドとSiの界面がゲート絶縁膜とSiの界面よりも基板内部に侵入した位置に形成される。
また、得られたトランジスタについて電気特性の評価を行ったところ、本発明によるものが、従来技術によるものに比べて、オフ時のリーク電流が約1桁小さくなっていた。これは、従来法ではシリサイド化反応によるSiの侵食が、接合リークの原因となったためであると考えられる。
【0018】
(実施例2)
実施例1と従来法で得た2種類のトランジスタのオン時の電流を比較すると、選択堆積したシリサイドを有するトランジスタでは、従来法に比べて約2%劣っていることが確認された。この程度の劣化は、オフ時の改善に比べて無視できる程度のものではあるが、その原因を特定するために、得られたシリサイドの組成をXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)法で測定した。その結果、従来法で得たシリサイドはNiとSiの組成比がちょうど1:1の理想的なNiSiであったのに対して、選択堆積されたシリサイドでは理想的な組成に対してSiが約5%不足していることが確認された。そこで、選択堆積したシリサイドを有するトランジスタに、550℃30秒のRTA熱処理を加えて、再び電気特性を測定したところ、オフ電流はそのままでオン電流が従来法と同等程度にまで改善した。XPSによる組成測定では、RTA後に1:1のNiSiが形成され、TEMによる構造観察によれば、シリサイド膜厚30nmに対して、約5nmだけ、シリサイド/Si界面がSi基板中に侵食していた。
【0019】
(実施例3)
実施例1−2における有機原料を図7に示したものに置き換え、原料加熱ヒータ410による加熱温度を180℃と高く設定し、かつ堆積時間を10分に設定して選択成膜を行った。評価の結果、実施例1および2とほぼ同様の製品が得られたことが確認された。
【0020】
(実施例4)
次に、Coシリサイドに関する実施例について説明する。図3(b)に示すように作成された基板を、図4に示したMOCVD装置に導入し、550℃に加熱しつつ、図6に示される構造の有機金属原料407を原料加熱ヒータ410で140℃に加熱し、200ml/minのH2キャリアガスで供給した。同時に、Si原料408としてSi2H6を40ml/minで、還元ガス409としてH2を50ml/minで導入した。以上の条件で10分間の堆積を行い、図3(b)に示されるように、トランジスタを作成し、電気特性や構造、堆積された膜の組成について測定・評価を行った。そして、この実施例により作成されたトランジスタでも、ソース・ドレイン領域上に堆積されたシリサイド膜107とSiの界面が、ゲート絶縁膜103とSiの界面とほぼ同じ高さであることが、FIB(フォーカスト・イオン・ビーム)とTEMの組み合わせによる評価で確認された。
また、比較のための試料を、図12(a)に示す基板上にスパッタリング法でCo膜を厚さ約30nm堆積し、700℃30秒と800℃15秒の2段階のRTA熱処理を行って作製した。この方法で得たトランジスタでも、図12(d)に示したように、シリサイドとSiの界面がゲート絶縁膜とSiの界面よりも基板内部に侵入した位置であった。
また、実施例と従来法により得られたトランジスタの電気的特性の評価を行ったところ、本発明によるものが、従来技術によるものに比べて、オフ時のリーク電流が約1.5桁オン電流が約8%小さくなっていた。これも、従来法に比べてシリサイド化反応によるSiの侵食小さいことと、シリサイド組成の差異によるものと考えられる。
【0021】
(実施例5)
実施例4で得たシリサイドの組成をXPS法で測定すると、従来法で得たシリサイドはCoとSiの組成比がちょうど1:2の理想的なCoSi2であったのに対して、選択堆積されたシリサイドでは理想的な組成に対してSiが約3%過剰であることが確認された。そこで、選択堆積したシリサイドを有するトランジスタに、700℃30秒のRTA熱処理を加えて、再び電気特性を測定したところ、オフ電流はそのままでオン電流が従来法と同等程度にまで改善した。XPSによる組成測定では、RTA後に1:2のCoSi2が形成され、TEMによる構造観察によれば、シリサイド膜厚40nmに対して、約3nmだけ、シリサイド/Si界面がSi表面より高い位置に移動していた。これは、余剰のSiをSi基板側に吐き出し、Si基板に対するエピタキシャル成長膜として、シリサイド/Si界面に挿入されたためであると考えられる。
【0022】
(実施例6)
実施例4−5における有機原料を図8に示したものに置き換え、原料加熱ヒータ410による加熱温度を160℃と高く設定して選択成膜を行った。評価の結果、実施例4および5とほぼ同様の製品が得られたことが確認された。
【0023】
(実施例7)
実施例1−3における有機原料を図9に示したものに置き換え、原料加熱ヒータ410による加熱温度を170℃に設定して8分間選択成膜を行った。評価の結果、実施例1−3とほぼ同様の製品が得られたことが確認された。
【0024】
(実施例8)
実施例4−6における有機原料を図10に示したものに置き換え、原料加熱ヒータ410による加熱温度を150℃に設定して10分間選択成膜を行った。評価の結果、実施例4−6とほぼ同様の製品が得られたことが確認された。
【0025】
(実施例9)
実施例1および実施例4におけるシリサイド堆積に際して、有機金属原料とシリコン原料を交互に供給する、いわゆるALD(Atomic Layer Deposition)法を適用することも可能である。ALD法によれば、通常のMOCVD法に比べて、基板面内での膜厚均一性に優れた成膜が可能となる。実験では、(有機原料→還元ガス→Si原料→還元ガス)の順で原料を供給し、このサイクルを所望の膜厚にいたるまで繰り返すこと、堆積中の基板温度を通常のMOCVD法に比べて50−100℃低く設定することで、良好な結果が得られた。
【0026】
(実施例10)
実施例1および実施例4におけるシリサイド堆積に際して、基板直上で原料をRFプラズマでプラズマ分解すると、堆積速度が約2−5倍に向上した。また、基板温度を約100℃低く設定しても、プラズマを用いない場合とほぼ同等の堆積速度を得ることが出来た。
【0027】
(実施例11)
実施例9におけるALDにおいて、還元ガスを供給する代わりに、光照射することで同様の堆積を行うことが出来た。この場合、還元ガスを用いる方法に比較して、堆積時間の短縮効果が得られた。
【0028】
(実施例12)
Si基板として最近注目されているSOI基板を用いて、本発明の実施例を試みた。すなわち、図11に示すように、シリコン基板201上に、埋め込み酸化膜208、単結晶シリコン層(SOI層)209を有するSOI基板を用い、素子分離膜202、ゲート絶縁膜203、ゲート電極204、サイドウォール205およびソース・ドレイン領域206を形成した後、実施例1および実施例4の方法を適用してシリサイド膜207を成膜した。
従来法によりシリサイド膜を形成するとき、特に最表面のSi膜厚(SOI層膜厚)が50nmより薄い、超薄膜SOI基板にMOS型トランジスタを作製すると、シリサイド膜の一部または全部がSOI層下の埋め込み酸化膜208に到達し、コンタクト抵抗の上昇が見られた。さらにこの場合、トランジスタがまったく動作しない現象がしばしば生じた。本発明によれば、SOI層膜厚が10nm程度の超々薄膜SOIであっても、良好なデバイス動作が得られた。したがって、本発明のトランジスタおよびその製造方法は、SOI基板に適用されるとき特に大きな効果が発揮される。
【0029】
以上好ましい実施例について説明したが、本発明これら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、使用する原料についてはCVD法の原料として公知の有機金属原料、Si原料、還元ガスはすべて使用可能である。また、堆積の際の基板温度、熱処理条件など、本実施例で示した条件に限らず、さらに実施例7、8と実施例9‐12の組み合わせなど実施例間の組み合わせは適宜に行い得る。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はソース・ドレイン領域上およびゲート電極上などに選択的にシリサイド膜を形成するものであるので、ソース・ドレイン電極−基板間短絡が発生することがなく、リーク電流が少なく良好なデバイス特性を有する半導体装置およびその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を説明するための工程順の断面図。
【図2】本発明の他の実施の形態を説明するための工程順の断面図。
【図3】本発明の実施例を説明するための工程順の断面図。
【図4】本発明の実施例を説明するためのMOCVD装置の概略構成図。
【図5】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その1)。
【図6】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その2)。
【図7】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その3)。
【図8】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その4)。
【図9】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その5)。
【図10】本発明の実施例において用いられた有機金属原料の構造図(その6)。
【図11】本発明の実施例を説明するための半導体装置の断面図。
【図12】従来例を説明するための工程順の断面図。
【符号の説明】
11 半導体基板
12 絶縁膜
13、23 金属シリサイド膜
21 絶縁性基板
22 結晶性膜
101、201、301 シリコン基板
102、202、302 素子分離膜
103、203、303 ゲート絶縁膜
104、204、304 ゲート電極
105、205、305 サイドウォール
106、206、306 ソース・ドレイン領域
107、207、307 シリサイド膜
208 埋め込み酸化膜
209 単結晶シリコン層
308 金属膜
309 未反応金属膜
400 シリサイド膜堆積室
401 基板ホルダー
402 基板加熱ヒータ
403 基板
404 熱電対
405 ターボ分子ポンプ
406 油拡散ポンプ
407 有機金属原料
408 Si原料
409 還元ガス
410 原料加熱ヒータ
411、412、413 流量制御装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming method, a semiconductor device, and a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of selectively growing a metal silicide film, a semiconductor device having a metal silicide film, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In the latest LSI process, a process called Salicide (Self-Aligned Silicide) is used to form source and drain electrodes (hereinafter, referred to as source / drain electrodes) of a MOS FET. The "salicide process" is described in detail in "Latest Version Super LSI Process Data Handbook" (1990), pages 322 to 323, published by Science Forum.
[0003]
FIG. 12 is a sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor device using a conventional salicide process in the order of steps. First, an
According to this method, it is possible to form a silicide film only in a portion where an electrode is to be formed in a self-aligned manner (self-alignment) without using a processing technique such as lithography.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technique, the deposited metal reacts with Si, so that Si is eroded, and the interface between Si and the silicide film is formed at a position lower than the substrate surface by about の of the silicide film thickness. In recent years, the source / drain regions have been doped with impurities to achieve extremely shallow junctions in order to increase the speed. However, when the source / drain regions are formed to have a shallow junction, the reaction due to silicidation is a problem. Danger of destroying. In addition, when an SOI substrate having an ultra-thin SOI (Si on insulator) layer useful for the next-generation high-performance LSI is used, the SOI layer is completely eroded by a silicidation reaction, and device characteristics such as an increase in resistance are deteriorated. Is concerned.
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to prevent Si from being eroded by a silicidation reaction so that the Si / silicide film interface is higher than the substrate surface. This is to prevent it from being formed low.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to the present invention, one or more of a single crystal semiconductor material region, a polycrystalline semiconductor material region, and a conductive material region made of a conductive material other than a semiconductor material are provided on the surface. The organic metal material and the CVD material containing Si are simultaneously or alternately supplied to a substrate having a deposition region of No. and a non-deposition region made of an amorphous insulating material, and selected only on the deposition region. A film forming method characterized by selectively depositing a metal silicide.
[0006]
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a MOS type field effect transistor including a source / drain region serving as a deposition region and a gate electrode, and having a device isolation film serving as a non-deposition region, which is element-isolated. There is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a metal silicide is selectively deposited only on the source / drain region and the gate electrode by performing the above-described film forming method on a substrate.
[0007]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a MOS field effect transistor having a source / drain region, a channel region, a gate insulating film, a gate electrode, and a source / drain electrode. -A semiconductor device is provided, wherein at least a part of the drain electrode is made of a metal silicide film, and the position of the metal silicide film / semiconductor interface is almost the same height as the gate insulating film / semiconductor interface. .
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view in the order of steps for explaining an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, an
[0009]
FIG. 2 is a sectional view in the order of steps for explaining another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, a crystalline film 22 made of a single crystal or a polycrystalline film is selectively formed on an insulating substrate 21. Here, as the material of the insulating substrate 21, the same material as the
[0010]
As the organometallic raw material used for MOCVD, one or more compounds from the group represented by the following general formulas [I] and [II] are used.
[0011]
Embedded image
(However, M is Co or Ni, n is 2 or 3, R 1 , R 2 , and R 3 are H or an alkyl group. R 1 , R 2 , and R 3 may be the same or different.)
[0012]
Embedded image
(However, M is Co or Ni, and R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 5 are H or an alkyl group. R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 5 are the same or different. May be.)
[0013]
In addition, (acac) 2 Co, (acac) 2 Co hydrate, (acac) 3 Co, (acac) 3 Co hydrate, (DPM) 2 Co, (DPM) 2 Co hydrate are used as the organic metal raw materials. , (DPM) 3 Co, (DPM) 3 Co hydrate, (Me 2 N) 2 Co, (Et 2 N) 2 Co, (Et (Me) N) 2 Co, [(CH 3 ) C 5 H 4] 2 Co, [( C 2 H 5) C 5 H 4] 2 Co, [(i-C 3 H 7) C 5 H 4] 2 Co, [(n-C 4 H 9) C 5 H 4] 2 Co, (acac) 2 Ni, (acac) 2 Ni hydrate, (DPM) 2 Ni, ( DPM) 2 Ni hydrate, (Me 2 N) 2 Ni , (Et 2 N) 2 Ni , (Et (Me) N) 2 Ni, [(CH 3) C 5 H 4] 2 Ni, [(C 2 H 5) C H 4] 2 Ni, [( i-C 3 H 7) C 5 H 4] 2 Ni, one or two selected from the group consisting of [(n-C 4 H 9 ) C 5 H 4] 2 Ni One or more compounds are used.
Here, acac is a monovalent anion CH 3 C (= O) CH = C (O − ) CH 3 , DPM is dipivaloyl methanate, and Me is a methyl group. , Et represents an ethyl group, "i-" represents "iso", and "n-" represents "normal".
[0014]
The Si-containing CVD raw material used in the film forming method of the present invention is typically monosilane and disilane. However, generally Si x H (2x + 2) ( where, x is an integer of 1 or more) is available raw materials, denoted, further Si x H (2x + 2) alkyl groups in which some or all of the H in, Cl, Those substituted with F or I, TEOS [Si (OC 2 H 3 ) 4 ], or the like can also be used.
It is desirable that one or both of the organometallic raw material and the Si raw material be decomposed in advance before being supplied to the substrate using an energy source such as heat, plasma, or light.
However, even when a film is formed by the above method using the above raw materials, the formed silicide may be deviated from the stoichiometric composition. Therefore, it is more desirable to perform a heat treatment after the film formation. Thus, Si is sucked or discharged by the formed silicide, and a high-quality silicide film having a composition close to the stoichiometric composition can be obtained. This heat treatment step can be performed by an RTA (rapid thermal anneal) method involving rapid temperature rise and fall.
[0015]
The film forming method according to the present invention can be used when forming electrodes on source / drain regions of a MOS field effect transistor. Alternatively, it can be used when forming a silicide film on the source / drain region and the gate electrode of a MOS field effect transistor. The MOS transistor may be a bulk transistor or a transistor formed on an SOI substrate. Further, a thin film transistor (TFT) formed on an insulating film (or an insulating substrate) may be used. When the source / drain electrodes are formed by using the film forming method according to the present invention, the interface between the silicide film and the source / drain region can be made almost as high as the interface between the gate insulating film and the channel region. . The offset (offset) between the heights of the two interfaces can be made approximately 2/5 or less of the silicide film thickness. Further, according to the present invention, since no silicidation reaction is performed to form the silicide film, the source / drain electrodes do not penetrate the silicide film and the SOI layer does not disappear due to the silicidation. A high semiconductor device can be obtained.
[0016]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described in detail.
(Example 1)
FIG. 3 is a sectional view in the order of steps for explaining the first embodiment of the present invention. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the steps up to the formation of the source / drain regions are the same as the method of forming a MOS type field effect transistor used for a normal LSI. That is, for example, first, an
Through the above steps, the MOS field effect transistor is almost completed except for the source / drain electrodes. This substrate is introduced into a MOCVD apparatus whose outline is shown in FIG. A
[0017]
A substrate 403 processed as shown in FIG. 3A is set on a
For comparison, a silicide film was formed using the conventional method (salicide process) shown in FIG. In the conventional method, a Ni film is deposited to a thickness of about 30 nm by a sputtering method, and an RTA heat treatment at 550 ° C. for 30 seconds is applied. In the transistor obtained by this method, as shown in FIG. 12D, the interface between silicide and Si is formed at a position penetrating into the substrate more than the interface between the gate insulating film and Si.
When the electrical characteristics of the obtained transistor were evaluated, the off-state leakage current of the transistor according to the present invention was reduced by about one digit as compared with that of the related art. It is considered that this is because in the conventional method, the erosion of Si due to the silicidation reaction caused the junction leak.
[0018]
(Example 2)
Comparing the on-state currents of Example 1 and two types of transistors obtained by the conventional method, it was confirmed that the transistor having the silicide selectively deposited was inferior to the conventional method by about 2%. Although this degree of deterioration is negligible compared to the improvement at the time of the off-state, the composition of the obtained silicide was measured by the XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) method in order to identify the cause. As a result, the silicide obtained by the conventional method was ideal NiSi in which the composition ratio of Ni and Si was exactly 1: 1. It was confirmed that there was a 5% shortage. Then, the transistor having the silicide selectively deposited was subjected to RTA heat treatment at 550 ° C. for 30 seconds, and the electrical characteristics were measured again. As a result, the on-state current was improved to about the same level as the conventional method while the off-state current was unchanged. In the composition measurement by XPS, 1: 1 NiSi was formed after RTA, and according to the structure observation by TEM, the silicide / Si interface eroded into the Si substrate by about 5 nm for the silicide film thickness of 30 nm. .
[0019]
(Example 3)
The organic raw material in Example 1-2 was replaced with that shown in FIG. 7, and the heating temperature of the raw material heater 410 was set as high as 180 ° C., and the deposition time was set at 10 minutes to perform selective film formation. As a result of the evaluation, it was confirmed that products substantially similar to those of Examples 1 and 2 were obtained.
[0020]
(Example 4)
Next, an example regarding Co silicide will be described. The substrate prepared as shown in FIG. 3B is introduced into the MOCVD apparatus shown in FIG. 4, and the organic metal
For a sample for comparison, a Co film was deposited to a thickness of about 30 nm on the substrate shown in FIG. 12A by a sputtering method, and two-stage RTA heat treatment was performed at 700 ° C. for 30 seconds and 800 ° C. for 15 seconds. Produced. Also in the transistor obtained by this method, as shown in FIG. 12D, the interface between silicide and Si was located at a position penetrating into the substrate more than the interface between the gate insulating film and Si.
In addition, when the electrical characteristics of the transistor obtained by the example and the conventional method were evaluated, the transistor according to the present invention was found to have an on-state leakage current of about 1.5 digits compared to the conventional technology. Was about 8% smaller. This is also thought to be due to the fact that the erosion of Si due to the silicidation reaction is smaller than in the conventional method and the difference in the silicide composition.
[0021]
(Example 5)
When the composition of the silicide obtained in Example 4 was measured by the XPS method, the silicide obtained by the conventional method was an ideal CoSi 2 in which the composition ratio of Co and Si was exactly 1: 2, whereas the selective deposition was performed. It was confirmed that the silicide obtained had an excess of about 3% of Si with respect to the ideal composition. Then, the transistor having the silicide selectively deposited was subjected to an RTA heat treatment at 700 ° C. for 30 seconds, and the electrical characteristics were measured again. As a result, the on-current was improved to about the same level as the conventional method with the off-current kept unchanged. In the composition measurement by XPS, 1: 2 CoSi 2 is formed after RTA. According to the structure observation by TEM, the silicide / Si interface moves to a position higher than the Si surface by about 3 nm for a silicide film thickness of 40 nm. Was. This is considered to be because surplus Si was discharged to the Si substrate side and inserted into the silicide / Si interface as an epitaxial growth film for the Si substrate.
[0022]
(Example 6)
The organic raw material in Example 4-5 was replaced with the organic raw material shown in FIG. 8, and the selective heating was performed by setting the heating temperature of the raw material heater 410 as high as 160 ° C. As a result of the evaluation, it was confirmed that almost the same products as in Examples 4 and 5 were obtained.
[0023]
(Example 7)
The organic raw material in Example 1-3 was replaced with that shown in FIG. 9, and the heating temperature of the raw material heater 410 was set to 170 ° C., and selective film formation was performed for 8 minutes. As a result of the evaluation, it was confirmed that a product substantially similar to that of Example 1-3 was obtained.
[0024]
(Example 8)
The organic raw material in Example 4-6 was replaced with that shown in FIG. 10, and the heating temperature of the raw material heater 410 was set at 150 ° C. to perform selective film formation for 10 minutes. As a result of the evaluation, it was confirmed that a product substantially similar to that of Example 4-6 was obtained.
[0025]
(Example 9)
At the time of silicide deposition in Example 1 and Example 4, a so-called ALD (Atomic Layer Deposition) method of alternately supplying an organic metal material and a silicon material can be applied. According to the ALD method, it is possible to form a film with excellent film thickness uniformity in the substrate surface as compared with the ordinary MOCVD method. In the experiment, the raw materials were supplied in the order of (organic raw material → reducing gas → Si raw material → reducing gas), and this cycle was repeated until the desired film thickness was reached. Good results were obtained by setting the temperature lower by 50-100 ° C.
[0026]
(Example 10)
In the silicide deposition in Examples 1 and 4, when the raw material was plasma-decomposed by RF plasma immediately above the substrate, the deposition rate was improved by about 2 to 5 times. In addition, even when the substrate temperature was set to be lower by about 100 ° C., a deposition rate almost equal to that when no plasma was used could be obtained.
[0027]
(Example 11)
In ALD in Example 9, similar deposition could be performed by irradiating light instead of supplying a reducing gas. In this case, the effect of shortening the deposition time was obtained as compared with the method using the reducing gas.
[0028]
(Example 12)
An embodiment of the present invention was attempted using an SOI substrate that has recently attracted attention as a Si substrate. That is, as shown in FIG. 11, an SOI substrate having a buried oxide film 208 and a single crystal silicon layer (SOI layer) 209 on a
When a silicide film is formed by a conventional method, particularly when a MOS transistor is formed on an ultra-thin SOI substrate having an outermost Si film thickness (SOI layer film thickness) smaller than 50 nm, a part or the whole of the silicide film becomes an SOI layer. It reaches the buried oxide film 208 below, and the contact resistance is increased. Further, in this case, a phenomenon that the transistor does not operate at all often occurs. According to the present invention, good device operation was obtained even with an ultra-thin SOI having an SOI layer thickness of about 10 nm. Therefore, the transistor of the present invention and the method for manufacturing the same exhibit a particularly large effect when applied to an SOI substrate.
[0029]
Although the preferred embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and appropriate changes can be made without departing from the scope of the present invention. For example, as the raw materials to be used, all of known organic metal raw materials, Si raw materials, and reducing gases as raw materials for the CVD method can be used. In addition, the conditions such as the substrate temperature and the heat treatment conditions during the deposition are not limited to the conditions described in this embodiment, and further, the combinations between the embodiments, such as the combinations of the embodiments 7 and 8 and the embodiments 9 to 12, can be appropriately performed.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since a silicide film is selectively formed on the source / drain region and the gate electrode, a short circuit between the source / drain electrode and the substrate does not occur, and the leakage current Thus, a semiconductor device having good device characteristics and a manufacturing method thereof can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view in the order of steps for describing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view in the order of steps for describing another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view in the order of steps for explaining the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a MOCVD apparatus for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural diagram (part 1) of an organometallic raw material used in an example of the present invention.
FIG. 6 is a structural diagram (part 2) of an organometallic raw material used in an example of the present invention.
FIG. 7 is a structural diagram (part 3) of an organometallic raw material used in an example of the present invention.
FIG. 8 is a structural diagram (part 4) of the organometallic raw material used in the example of the present invention.
FIG. 9 is a structural diagram (part 5) of the organometallic raw material used in the example of the present invention.
FIG. 10 is a structural diagram (part 6) of an organometallic raw material used in an example of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device for describing an example of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view in the order of steps for explaining a conventional example.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11
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