JP2005183604A

JP2005183604A - 半導体装置の熱処理方法

Info

Publication number: JP2005183604A
Application number: JP2003421128A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kitajima; 洋北島
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる半導体装置の熱処理方法を得る。
【解決手段】シリコン基板１２と、このシリコン基板１２の表面に形成された金属薄膜１３を有する半導体装置１１の熱処理方法であって、シリコン基板１２の裏面のみから光を照射して、半導体装置１１を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板と、このシリコン基板の表面に形成された金属薄膜を有する半導体装置の熱処理方法に関するものである。

半導体装置の製造工程において、結晶性の改質、不純物の拡散、不純物の活性化を行うために熱処理が行われる。近年、半導体素子の微細化に伴って、熱処理方法として、短時間で熱処理できるランプアニールが用いられるようになってきた。特に、最近では、光のエネルギーの吸収をシリコン基板の最表面近くでのみ行い、シリコン基板冷却速度を上げる方式が研究されている。そして、微細素子を形成するための接合深さが浅くなるにつれて、不純物の活性化などに用いられる光の照射時間は短時間化し、昇降温は１００℃／秒〜３００℃／秒程度の高速化が必要になっている。

ここで、従来のランプアニールでは、シリコン基板の素子を作る側の面（以降、表面と記載する）から光を当てるか、又は、シリコン基板の素子を作る側とは反対側の面（以降、裏面と記載する）と表面側の両方から光を当てていた。ただし、シリコン基板ではなく透明基板を用いた場合には、基板の裏面から光を当てることもあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３５３２３７号公報

従来、熱処理の対象になるシリコン基板は、密着性に優れた金属シリサイド／多結晶シリコン膜構造が形成されることはあったが、金属薄膜が形成されることはなかった。しかし、今後、実用化されるデザインルールが５０〜６０ｎｍ以下の微細素子では、ゲート電極として、半導体に比べてキャリア濃度が高く、低抵抗率の金属薄膜が用いられる。

金属薄膜の表面には自由電子が多く、光の反射率が大きくて、最表面で光を吸収しやすい。そのため、光照射による熱処理において、エネルギーが低い低温域では単に金属薄膜の表面から光が反射されるだけであるが、エネルギーが強くなる５００℃以上の温度域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱すると、金属薄膜の最表面にエネルギーが集中し、金属薄膜のパターンが変形し、部分的に金属薄膜が飛散する。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる半導体装置の熱処理方法を得るものである。

本発明に係る半導体装置の熱処理方法は、シリコン基板と、このシリコン基板の表面に形成された金属薄膜を有する半導体装置の熱処理方法であって、シリコン基板の裏面のみから光を照射して、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の熱処理方法を説明する。図１は、半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の一例を示す断面図である。半導体装置１１は、シリコンからなるシリコン基板１２と、このシリコン基板１２の表面にパターン形成された金属薄膜１３を有する。そして、半導体装置１１は、金属薄膜１３が形成されたシリコン基板１２の表面を下にして透明なリング状ボート１４の上に支持部１５を介して載置される。また、シリコン基板１２の裏面が上側に向けられ、その上部にランプ１６が配置される。そして、異なる熱処理温度域や熱処理時間によるシリコン基板温度の面内分布を小さく抑えるために、シリコン基板１２の周辺にランプ（図示せず）が配置される。また、シリコン基板の温度を裏面側から光学的にモニターする装置（図示せず）が配置される。そして、熱処理雰囲気を制御するために、上記の装置全体がチャンバー１７内に配置される。

図２は、半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の別の例を示す断面図である。図１と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。この加熱装置では、半導体装置１１の下側にランプ１８が配置されている。この場合は、半導体装置１１は、金属薄膜１３が形成されたシリコン基板１２の表面を上にしてリング状ボート１４の上に支持部１５を介して載置される。

図３は、半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の更に別の例を示す断面図である。図１と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。この加熱装置では、半導体装置１１の上側にランプ１６が配置され、半導体装置１１の下側にランプ１８が配置されている。このため、金属薄膜が無いシリコン基板を加熱する場合には、パターンが形成される面の側から、あるいは両面から加熱することができる。ただし、ランプ１６又はランプ１８の片方のみを用いて、シリコン基板１２の裏面からだけ加熱用の光を当てることができる構造となっている。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の熱処理方法について、上記の図１〜３の何れかに示す加熱装置を用いて、図４に示す半導体装置のイオン注入層の熱処理を行う場合を例に取って説明する。

熱処理を行う半導体装置は、図４に示すように、Ｓｉからなるシリコン基板２１の表面に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜２２を介して、窒化チタンからなる金属薄膜であるゲート電極２３が形成されている。そして、ゲート電極２３をマスクにしてインジウムを２×１０^１３／ｃｍ^２で注入した注入層２４が形成されている。なお、ゲート電極用の金属薄膜として、窒化チタン以外にも、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＷＮ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ等の何れか、又は、これらの金属からなる合金膜を用いることができる。また、ゲート絶縁膜２２は、図示は省略するが、素子分離のため部分的に厚い膜となっている。

この半導体装置について、注入層２４の結晶性回復のためにピーク温度９００℃で熱処理を行う。その際に、ゲート電極２３が形成されていないシリコン基板２１の裏面のみからランプ光２５を照射して、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する。そして、降温速度は５０℃／秒〜１００℃／秒とする。

また、基板の裏面から照射する光として、波長０．８μｍ以上４μｍ以下で、１μｍ以上にパワーのピークをもたせた赤外域の光を用いる。このような赤外域の光は、シリコン基板の厚さ方向全体で光のエネルギーが吸収される。また、加熱の主な対象であるシリコン基板表面近くでの温度上昇を急激に行うことができる点でも望ましい。

ここで、シリコン基板の温度が５００℃未満の場合、シリコン基板での赤外域の光の吸収は小さく、表面の金属薄膜での光の吸収が大きいが、エネルギー自体が小さいため、金属薄膜へのダメージは小さい。一方、シリコン基板の温度が５００℃以上の場合、シリコン基板での赤外域の光の吸収は大きくなり、金属薄膜と光との直接反応が抑制され、金属薄膜はシリコン基板からの熱伝導により加熱されるのみとなる。

実際に、上記の半導体装置について、従来と同様にシリコン基板の表面から光を照射すると、昇温速度４０℃／秒程度でゲート電極２３のパターン変形及び飛散が生じるのに対し、裏面側から光を照射した場合には、昇温速度３００℃／秒以上でもそのような問題が生じなかった。

よって、本実施の形態１に係る半導体装置の熱処理方法によれば、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる。

また、金属薄膜を有する半導体装置でも高速昇降温での熱処理を行うことができるため、従来の半導体ゲート電極を有する半導体装置用の熱処理プロセスを、金属ゲート電極を有する半導体装置用の熱処理プロセスに適用することができる。即ち、従来の半導体装置のプロセスフローを、金属ゲート電極を有する半導体装置のプロセスフローに適用するこができる。

なお、シリコン基板の裏面から光学的にシリコン基板の温度を測定する際に、表面に形成された金属薄膜が光を反射するので、部分的にしか金属薄膜が形成されていない場合でも、温度計測においてノイズとなるシリコン基板内を抜けてくる光の量が減って、より低温からの温度計測が可能になる。その結果、より低温から精度の良いプロセスが可能になる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の熱処理方法について、図５に示す半導体装置のイオン注入層の熱処理を行う場合を例に取って説明する。ただし、図４と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。熱処理を行う半導体装置は、図５に示すように、ゲート電極２３をマスクにしてボロンを１ｅ^１５／ｃｍ^２注入した注入層２６が形成されている。

この半導体装置について、注入層２６の不純物の活性化のために熱処理を行う。このような不純物の活性化の場合、ピーク温度１０００℃以上にしないと、活性化率が低く、トランジスタの寄生抵抗が大きくなる。一方、熱処理時間は短くする必要があるため、昇降温も含めた短時間化が必要である。

そこで、熱処理の際に、ゲート電極２３が形成されていないシリコン基板２１の裏面のみからランプ光２５を照射して、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する。

実際に、上記半導体装置について、８００〜９００℃温度域での昇降温速度を３００℃／秒とし、ピーク温度を１０００〜１０５０℃で熱処理を行っても、ゲート電極２３のパターン変形及び飛散はほとんど無かった。

よって、本実施の形態２に係る半導体装置の熱処理方法によれば、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置の熱処理方法について、図６に示す半導体装置のイオン注入層の熱処理を行う場合を例に取って説明する。ただし、図４と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。熱処理を行う半導体装置は、図６に示すように、ゲート電極２３形成後にＳＤエクステンション領域とコンタクトＳＤ領域にボロンをイオン注入した注入層２７が形成されている。そして、注入層２７上にコバルトを付けて低温で熱処理し、未反応のコバルトを除去して、コバルトシリサイド層２８が形成されている。

この半導体装置について、コバルトシリサイド層２８の熱処理を行う。この熱処理の際に、ゲート電極２３が形成されていないシリコン基板２１の裏面のみからランプ光２５を照射して、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する。

実際に、上記半導体装置について、ピーク温度７５０℃、昇温速度１００℃／秒程度で熱処理を行っても、ゲート電極２３のパターン変形及び飛散はほとんど無かった。

よって、本実施の形態３に係る半導体装置の熱処理方法によれば、半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱する場合でも、金属薄膜のパターン変形及び飛散を防ぐことができる。また、高速昇温を行うことができるため、界面の不純物濃度を高く保つことができ、１〜２ｅ^−７Ωｃｍ^２のコンタクト抵抗をボロン高濃度拡散層上に形成することができる。

半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の一例を示す断面図である。半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の別の例を示す断面図である。半導体装置の熱処理に用いる加熱装置の更に別の例を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の熱処理方法により熱処理する半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の熱処理方法により熱処理する半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置の熱処理方法により熱処理する半導体装置の断面図である。

符号の説明

１１半導体装置
１２シリコン基板
１３金属薄膜
１６ランプ
１８ランプ
２１シリコン基板
２３ゲート電極（金属薄膜）
２５ランプ光

Claims

シリコン基板と、このシリコン基板の表面に形成された金属薄膜を有する半導体装置の熱処理方法であって、
前記シリコン基板の裏面のみから光を照射して、前記半導体装置を５００℃以上の温度領域において昇温速度３０℃／秒以上で加熱することを特徴とする半導体装置の熱処理方法。
前記シリコン基板の裏面から照射する光として、波長０．８μｍ以上の光を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の熱処理方法。
前記金属薄膜はパターン状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の熱処理方法。