JP2006074071A - Forming method of silicide film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,シリサイド膜の形成方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a silicide film.
近年,半導体装置は,各種微細加工技術の進歩によって飛躍的な高集積化を遂げている。ところが,設計ルールがサブミクロン以下の領域に入った今日では,寄生抵抗の増大等が障害となり,回路パターンを微細化しても一概に半導体装置の性能が向上するとは限らなくなっている。そこで,微細化に伴って生じる問題を解決するための新しい技術の研究開発が継続的に進められている。中でも,ゲート電極や不純物拡散層の抵抗を低く抑えることが可能なサリサイド(SALICIDE:Self-Aligned Silicide)プロセス技術には多くの関心が集まっている。サリサイドプロセス技術およびこれに関連した技術については,以下の特許文献および非特許文献に開示されている。 In recent years, semiconductor devices have achieved tremendous integration due to advances in various microfabrication technologies. However, nowadays when the design rule is in the sub-micron region, an increase in parasitic resistance becomes an obstacle, and even if the circuit pattern is miniaturized, the performance of the semiconductor device is not necessarily improved. Therefore, research and development of new technologies to solve the problems that occur with miniaturization are ongoing. In particular, much attention has been focused on the SALICIDE (Self-Aligned Silicide) process technology that can keep the resistance of the gate electrode and impurity diffusion layer low. The salicide process technology and related technologies are disclosed in the following patent documents and non-patent documents.
一方,シリコン基板の上に絶縁膜(シリコン酸化膜)が存在し,さらにその上に薄いシリコン単結晶層が存在していることを特徴とする「SOI(Silicon-On-Insulator)構造」の実用化が進んでいる。このシリコン単結晶層にトランジスタを形成することによって,ソース・ドレイン領域の寄生容量が低減されるため,トランジスタの低損失・高速動作が実現する。また,SOI構造によれば,素子一つひとつを電気的に分離することが可能となるため,狭い間隔で素子を配置しても電流リーク等の問題が生じなくなる。 On the other hand, the “SOI (Silicon-On-Insulator) structure”, which has an insulating film (silicon oxide film) on a silicon substrate and a thin silicon single crystal layer on it Is progressing. By forming the transistor in this silicon single crystal layer, the parasitic capacitance of the source / drain region is reduced, so that low-loss / high-speed operation of the transistor is realized. Also, according to the SOI structure, each element can be electrically isolated, and thus problems such as current leakage do not occur even if the elements are arranged at a narrow interval.
このように,サリサイドプロセスとSOI構造は,今後一層の微細化が進む半導体装置において極めて有効な技術であり,これらの組み合わせについての研究も活発化している。 As described above, the salicide process and the SOI structure are extremely effective techniques in semiconductor devices that will be further miniaturized in the future, and research on these combinations is also actively conducted.
完全空乏型SOIトランジスタの場合,アクティブ領域となるシリコン単結晶層は極めて薄く,50nm以下が一般的となっている。シリコン単結晶層の表面に堆積させる金属膜(チタン膜等)の厚さが25nmのとき,この金属膜に含まれる金属とシリコン単結晶層に含まれるシリコンとの化学反応によってアクティブ領域(ソース領域およびドレイン領域)に形成されるシリサイド膜の膜厚は50nm程度となる。つまり,完全空乏型SOIトランジスタでは,金属膜の厚さを正確に調整して,シリサイド膜を薄く形成するようにしなければ,シリサイド膜がシリコン単結晶層の下に位置する絶縁膜に接触することになる。この場合,シリサイド膜とシリコン単結晶層との接触面積が小さくなり,これらの間の接触抵抗が大きくなってしまう。加えて,シリコン単結晶層に対して金属膜が厚すぎると,シリサイド膜を形成するための化学反応において,シリコン単結晶層側からのシリコンの供給が不足し,ドレイン領域およびソース領域にボイドが生じてしまう。 In the case of a fully depleted SOI transistor, the silicon single crystal layer serving as an active region is extremely thin, and is generally 50 nm or less. When the thickness of the metal film (titanium film or the like) deposited on the surface of the silicon single crystal layer is 25 nm, the active region (source region) is generated by a chemical reaction between the metal contained in the metal film and the silicon contained in the silicon single crystal layer. And the thickness of the silicide film formed in the drain region) is about 50 nm. In other words, in a fully depleted SOI transistor, unless the thickness of the metal film is accurately adjusted to form a thin silicide film, the silicide film contacts the insulating film located under the silicon single crystal layer. become. In this case, the contact area between the silicide film and the silicon single crystal layer is reduced, and the contact resistance between them is increased. In addition, if the metal film is too thick relative to the silicon single crystal layer, the supply of silicon from the silicon single crystal layer side is insufficient in the chemical reaction for forming the silicide film, and voids are formed in the drain and source regions. It will occur.
以上のように,完全空乏型SOIデバイスのような薄いアクティブ領域を有する半導体装置またはソース・ドレイン領域を浅くしなくてはならない微細な半導体装置の製造にシリサイドプロセスを適用する場合,金属膜を薄く堆積させて,薄いシリサイド膜を形成する必要があった。 As described above, when a silicide process is applied to manufacture a semiconductor device having a thin active region such as a fully depleted SOI device or a fine semiconductor device in which a source / drain region must be shallow, a metal film is thinned. It was necessary to deposit and form a thin silicide film.
しかしながら,従来のサリサイドプロセスにおいて,シリサイド膜のパターン幅が狭くなるとそのシート抵抗が上昇する,いわゆる細線効果の存在が確認されており,しかも,シリサイド膜が薄くなるとその細線効果が顕著となっていた。シリサイド膜が薄くなると顕在化するシート抵抗のパターン幅依存性は,薄いアクティブ領域を有する半導体装置へのサリサイドプロセスの適用を阻害するものであった。 However, in the conventional salicide process, the existence of the so-called fine line effect has been confirmed, in which the sheet resistance increases when the pattern width of the silicide film becomes narrow, and the thin line effect becomes remarkable when the silicide film becomes thin. . The dependence of the sheet resistance on the pattern width that becomes apparent when the silicide film becomes thinner hinders the application of the salicide process to a semiconductor device having a thin active region.
本発明は,上記のような問題点に鑑みてなされたものであり,その目的は,シリサイド膜を薄くしても細線効果を抑えることが可能なシリサイド膜の形成方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method of forming a silicide film capable of suppressing the fine line effect even if the silicide film is thinned.
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,シリサイド膜を有する半導体装置の製造方法が提供される。そして,この製造方法は,シリコン領域に対して,イオンを注入し,シリコン領域の表面部をアモルファス化するイオン注入工程と,シリコン領域を含む基板の温度を調節する基板温度調節工程と,温度が調節され,かつ,アモルファス化されたシリコン領域の上面に金属を堆積させ金属膜(膜厚t1)を形成する金属膜形成工程と,金属膜形成工程に連続して,金属膜の上面に金属膜を雰囲気から保護するための保護膜(膜厚t2,t2>t1)を形成する保護膜形成工程と,金属膜,保護膜,およびシリコン領域に対して熱処理を施し,金属膜に含まれる金属とシリコン領域に含まれるシリコンを反応させ,シリコン領域上にシリサイド膜を形成する熱処理工程とを含むことを特徴としている。かかる製造方法によれば,シリサイド膜が薄い場合であっても,そのシリサイド膜において細線効果が顕在化しなくなる。 In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device having a silicide film is provided. In this manufacturing method, ions are implanted into the silicon region to make the surface portion of the silicon region amorphous, a substrate temperature adjusting step for adjusting the temperature of the substrate including the silicon region, A metal film forming step of forming a metal film (film thickness t1) by depositing a metal on the upper surface of the adjusted and amorphized silicon region, and a metal film on the upper surface of the metal film in succession to the metal film forming step. A protective film forming step for forming a protective film (film thickness t2, t2> t1) for protecting the substrate from the atmosphere, and heat treatment is performed on the metal film, the protective film, and the silicon region, and the metal contained in the metal film And a heat treatment step of reacting silicon contained in the silicon region to form a silicide film on the silicon region. According to such a manufacturing method, even if the silicide film is thin, the fine line effect does not appear in the silicide film.
また,本発明の第2の観点によれば,シリコン領域の表面にシリサイド膜を備える半導体装置が提供される。そして,このシリサイド膜は,次のようにして形成されたことを特徴としている。すなわち,まず,シリコン領域にイオンを注入してシリコン領域の表面をアモルファス化し,シリコン領域を所定温度に調節する。その後,シリコン領域に対して金属膜(膜厚t1)および金属膜を雰囲気から保護するための保護膜(膜厚t2,t2>t1)を連続的に形成し,更に金属膜,保護膜,およびシリコン領域に対して熱処理を施す。これによって,金属膜に含まれる金属とシリコン領域に含まれるシリコンが反応して,シリサイド膜が形成される。このシリサイド膜は,シート抵抗値が小さく,かつ,パターン幅依存性が小さいという特性を有する。したがって,このシリサイド膜を備えた半導体装置において,小型,低損失,および高速動作等の優れた性能が得られる。 In addition, according to the second aspect of the present invention, a semiconductor device including a silicide film on the surface of a silicon region is provided. This silicide film is formed as follows. That is, first, ions are implanted into the silicon region to make the surface of the silicon region amorphous, and the silicon region is adjusted to a predetermined temperature. Thereafter, a metal film (film thickness t1) and a protective film (film thickness t2, t2> t1) for protecting the metal film from the atmosphere are continuously formed on the silicon region, and further, the metal film, the protective film, and A heat treatment is performed on the silicon region. As a result, the metal contained in the metal film reacts with the silicon contained in the silicon region to form a silicide film. This silicide film has the characteristics that the sheet resistance value is small and the pattern width dependency is small. Therefore, in the semiconductor device provided with this silicide film, excellent performance such as small size, low loss, and high speed operation can be obtained.
イオン注入工程において,シリコン領域にはアルゴンイオンが注入される。アルゴンイオンは,シリコン領域に注入されても,そこでP型不純物またはN型不純物のいずれにもなり難い。したがって,シリコン領域の電気的な特性に大きな影響を与えることなく,イオン注入の目的であるシリコン領域表面部のアモルファス化が実現する。 In the ion implantation process, argon ions are implanted into the silicon region. Even if argon ions are implanted into the silicon region, they are unlikely to become either P-type impurities or N-type impurities there. Therefore, the surface of the silicon region, which is the purpose of ion implantation, can be made amorphous without significantly affecting the electrical characteristics of the silicon region.
基板温度調節工程において,基板を200℃から400℃までのいずれかの温度に調節した上で,金属膜形成工程において,ロングスロー・スパッタリング法またはコリメート・スパッタリング法を用いて金属膜を形成する。これによって,良好な膜質を有する金属膜が得られる。 In the substrate temperature adjusting step, the substrate is adjusted to any temperature from 200 ° C. to 400 ° C., and in the metal film forming step, a metal film is formed using a long throw sputtering method or a collimated sputtering method. As a result, a metal film having good film quality can be obtained.
金属膜を形成するための金属として,チタン,コバルト,またはニッケルのいずれかを用いることによって,シート抵抗値が小さく,かつ,パターン幅依存性の小さいシリサイド膜が形成される。 By using any one of titanium, cobalt, and nickel as a metal for forming the metal film, a silicide film having a small sheet resistance value and a small pattern width dependency is formed.
窒化チタンまたはタングステンを主成分とした保護膜を形成することによって,金属膜を酸素等の外部雰囲気から保護することが可能となる。 By forming a protective film mainly composed of titanium nitride or tungsten, the metal film can be protected from an external atmosphere such as oxygen.
金属膜の膜厚t1を15nm以下に調整することによって,極めて薄い膜厚(30nm以下)のシリサイド膜を形成することが可能となる。また,金属膜を外部雰囲気から保護するため,保護膜の膜厚t2は30nm以上に調整される。 By adjusting the thickness t1 of the metal film to 15 nm or less, it is possible to form a silicide film having a very thin film thickness (30 nm or less). Further, in order to protect the metal film from the external atmosphere, the film thickness t2 of the protective film is adjusted to 30 nm or more.
ソース領域およびドレイン領域を,シリコン領域に含めることによって,ソース領域およびドレイン領域それぞれにシート抵抗値が小さく,かつ,パターン幅依存性の小さいシリサイド膜が形成されることになる。 By including the source region and the drain region in the silicon region, a silicide film having a small sheet resistance value and a small pattern width dependency is formed in each of the source region and the drain region.
基板がSOI構造を有し,シリコン領域が絶縁膜上に形成されたシリコン単結晶層である場合でも,各領域にシート抵抗値が小さく,かつ,パターン幅依存性の小さいシリサイド膜が形成される。 Even when the substrate has an SOI structure and the silicon region is a silicon single crystal layer formed on an insulating film, a silicide film having a small sheet resistance value and a small pattern width dependency is formed in each region. .
金属膜を形成するための成膜装置内に半導体装置がロードされてから金属膜形成工程が実施されるまでの間,シリコン領域の表面を含む露出面を削るエッチング工程を行わないことが好ましい。このエッチング工程を実施すると,エッチングによって削りとられた物質が成膜装置内の雰囲気を汚染し,金属膜の形成に悪影響を及ぼすおそれがあるためである。 It is preferable not to perform an etching process for removing the exposed surface including the surface of the silicon region after the semiconductor device is loaded in the film forming apparatus for forming the metal film until the metal film forming process is performed. This is because when this etching process is performed, the material scraped off by the etching may contaminate the atmosphere in the film forming apparatus and adversely affect the formation of the metal film.
以上説明したように,本発明によれば,膜厚が薄くても細線効果が抑えられたシリサイド膜を形成することが可能となる。また,本発明によれば,半導体装置の高集積化,動作損失の低減,および動作速度の向上等の性能向上が実現する。 As described above, according to the present invention, it is possible to form a silicide film in which the fine line effect is suppressed even when the film thickness is small. In addition, according to the present invention, it is possible to improve performance such as high integration of semiconductor devices, reduction of operation loss, and improvement of operation speed.
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書および図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
まず,シリサイド膜を有するトランジスタの基本構成,および,そのトランジスタをバルクウェハに形成する場合の基本的な製造方法について,図1〜図5を用いて説明する。 First, a basic configuration of a transistor having a silicide film and a basic manufacturing method when the transistor is formed on a bulk wafer will be described with reference to FIGS.
[工程0−1]シリコン基板1上に素子分離膜7,ゲート酸化膜9,ゲート電極11,およびサイドウォール13を形成する(図1)。例えば,素子分離膜7はシリコン酸化膜(膜厚400nm)を,ゲート酸化膜9はシリコン酸化膜(膜厚10nm)を,そしてゲート電極11はポリシリコン膜(膜厚200nm)をそれぞれパターニングすることによって形成される。次に,図示は省略するが,P型あるいはN型のイオンを注入することによって,ゲート電極の低抵抗化とソース・ドレイン領域の形成を行う。続いて,シリコン基板1全面に対してヒ素イオンを注入する(イオン・インプランテーション)。イオン注入の条件は,例えば,エネルギー30keV,ドーズ量3×1014cm−2とする。これによって,シリコン基板1について,その露出面から所定深さまでの領域がアモルファス化される。
[Step 0-1] An
[工程0−2]金属膜を形成する。ここでは,金属としてチタンを堆積させてチタン膜121(膜厚30nm)を形成する(図2)。
[Step 0-2] A metal film is formed. Here, titanium is deposited as a metal to form a titanium film 121 (
[工程0−3]窒素雰囲気中で1回目の熱処理(750℃)を行う。これによって,チタン膜121中のチタンと,ゲート電極11中およびシリコン基板1中のシリコンが反応し,ゲート領域,ソース領域,およびドレイン領域にそれぞれ自己整合的にシリサイド膜131,132,133(膜厚60nm)が形成される(図3)。これらシリサイド膜131,132,133は,高抵抗の結晶構造C49を有する。
[Step 0-3] First heat treatment (750 ° C.) is performed in a nitrogen atmosphere. As a result, titanium in the titanium film 121 reacts with silicon in the
[工程0−4]アンモニア水と過酸化水素水の混合液によって未反応のチタン膜121を除去する(図4)。 [Step 0-4] The unreacted titanium film 121 is removed with a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution (FIG. 4).
[工程0−5]2回目の熱処理(850℃)を行う。これによって,高抵抗の結晶構造C49を有するシリサイド膜131,132,133はそれぞれ,低抵抗の結晶構造C54を有するシリサイド膜141,142,143に相転移する(図5)。 [Step 0-5] A second heat treatment (850 ° C.) is performed. As a result, the silicide films 131, 132, 133 having the high-resistance crystal structure C49 undergo phase transition to the silicide films 141, 142, 143 having the low-resistance crystal structure C54, respectively (FIG. 5).
[工程0−6]以降,絶縁膜,コンタクトホール,金属配線等を形成することによってMOSトランジスタが完成する。 [Step 0-6] After that, the MOS transistor is completed by forming an insulating film, a contact hole, a metal wiring, and the like.
以上のように工程0−1〜0−6によれば,ゲート領域,ソース領域,およびドレイン領域に低抵抗のシリサイド膜141,142,143が形成される。これらシリサイド膜141,142,143は,シート抵抗に関してパターン幅依存性が小さく,トランジスタの小型化,高速化に寄与するものである。ただし,膜厚が60nmであるため,シリサイド膜141,142,143をそのままの膜厚で完全空乏型SOIトランジスタに適用することはできない。上述のように,完全空乏型SOIトランジスタの場合,アクティブ領域の厚さが50nm以下となるため,ソース領域およびドレイン領域に形成されるシリサイド膜142,143の膜厚は,アクティブ領域よりも薄い50nm以下でなければならない。 As described above, according to the steps 0-1 to 0-6, the low resistance silicide films 141, 142, 143 are formed in the gate region, the source region, and the drain region. These silicide films 141, 142, and 143 have a small pattern width dependency with respect to sheet resistance, and contribute to miniaturization and high speed of the transistor. However, since the film thickness is 60 nm, the silicide films 141, 142, and 143 cannot be applied to a fully depleted SOI transistor with the same film thickness. As described above, in the case of a fully depleted SOI transistor, since the thickness of the active region is 50 nm or less, the thickness of the silicide films 142 and 143 formed in the source region and the drain region is 50 nm which is thinner than the active region. Must be:
工程0−2においてチタン膜121を薄く形成すれば,その厚みに応じてシリサイド膜142,143も薄くなるが,単純にチタン膜121を薄く形成するだけでは,シリサイド膜142,143において細線効果が顕在化してしまう。本発明によれば,薄い膜厚でありながらシート抵抗のパターン幅依存性が小さいシリサイド膜を形成することが可能となる。また,膜厚が薄くかつ細線効果が抑えられたシリサイド膜を有する半導体装置が提供される。 If the titanium film 121 is thinly formed in the process 0-2, the silicide films 142 and 143 are also thinned according to the thickness. However, if the titanium film 121 is simply formed thinly, a thin line effect is produced in the silicide films 142 and 143. It becomes obvious. According to the present invention, it is possible to form a silicide film having a small film thickness and a small dependence of the sheet resistance on the pattern width. In addition, a semiconductor device having a silicide film with a thin film thickness and a reduced thin line effect is provided.
本発明の実施の形態にかかる半導体装置としての完全空乏型SOIトランジスタおよびその製造方法について,図6〜図14を用いて説明する。 A fully depleted SOI transistor as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS.
[工程1−1]シリコン基板1,シリコン酸化膜3,およびシリコン単結晶層5から成るいわゆるSOI基板を用意する。そして,シリコン単結晶層5上に素子分離膜7,ゲート酸化膜9,ゲート電極11,およびサイドウォール13を形成する(図6)。例えば,素子分離膜7はシリコン酸化膜(膜厚100nm)を,ゲート酸化膜9はシリコン酸化膜(膜厚10nm)を,そしてゲート電極11はポリシリコン膜(膜厚200nm)をそれぞれパターニングすることによって形成される。次に,図示は省略するが,P型あるいはN型のイオンを注入することによって,ゲート電極の低抵抗化とソース・ドレイン領域の形成を行う。続いて,SOI基板全面に対してヒ素イオンを注入する(イオン・インプランテーション)。イオン注入の条件は,例えば,エネルギー30keV,ドーズ量3×1014cm−2とする。これによって,シリコン単結晶層5について,その露出面から所定深さまでの領域がアモルファス化される。
[Step 1-1] A so-called SOI substrate comprising a
[工程1−2]チタンを堆積させてチタン膜21(膜厚15nm)を形成する(図7)。 [Step 1-2] Titanium is deposited to form a titanium film 21 (film thickness: 15 nm) (FIG. 7).
従来,チタン膜21を形成する直前に,シリコン単結晶層5およびゲート電極11の表層部をドライエッチング(スパッタエッチング)法によって除去する工程が実施されていた。このドライエッチング工程は,シリコン単結晶層5やゲート電極11の表面の汚れ除去を目的として行われていたものである。しかし,実際には不純物が存在してもその量は極微量である上,逆にこの工程を行うことによって,素子分離領域7等から酸素が飛び出し雰囲気が汚染され,チタン膜21の膜質が劣化するおそれもある。したがって,ここではドライエッチング工程を敢えて実施しない。
Conventionally, a step of removing the surface layer portions of the silicon single crystal layer 5 and the
チタン膜21の膜厚は,アクティブ領域の厚さすなわちシリコン単結晶層5の厚さに応じて設定される。一般的に,完全空乏型SOIトランジスタにおけるアクティブ領域の厚さは50nm以下であり,アクティブ領域に形成されるシリサイド膜の厚さはそれ以下でなければならない。シリサイド膜の膜厚は,チタン膜21の膜厚の約2.5倍となることから,ここでは製造誤差等を勘案して,チタン膜21の膜厚を15nmに調整する。 The thickness of the titanium film 21 is set according to the thickness of the active region, that is, the thickness of the silicon single crystal layer 5. In general, the thickness of the active region in a fully depleted SOI transistor is 50 nm or less, and the thickness of the silicide film formed in the active region must be less than that. Since the thickness of the silicide film is approximately 2.5 times the thickness of the titanium film 21, the thickness of the titanium film 21 is adjusted to 15 nm in consideration of manufacturing errors and the like here.
チタン膜21の成膜には,コリメート(Collimate)・スパッタリング法またはロングスロー(Long Throw)・スパッタリング法を用いる。これらのスパッタリング法によれば,金属ターゲットからスパッタされた金属において高い直進性が得られる。 The titanium film 21 is formed by using a collimate / sputtering method or a long throw / sputtering method. According to these sputtering methods, high straightness can be obtained in the metal sputtered from the metal target.
図11に示すように,コリメート・スパッタリング法は,金属ターゲットとウェハの間にコリメート板が配置されることを特徴としている。このコリメート板によって,スパッタされた金属粒子のうちウェハ表面への入射角が小さな金属粒子のみがウェハ表面に到達することになる。 As shown in FIG. 11, the collimating / sputtering method is characterized in that a collimating plate is disposed between a metal target and a wafer. By this collimating plate, only metal particles having a small incident angle on the wafer surface among the sputtered metal particles reach the wafer surface.
一方の,ロングスロー・スパッタリング法は,一般的なスパッタリング法に比べて,金属ターゲットとウェハとの間隔が広い点に特徴がある。例えば,一般的なスパッタリング法では,金属ターゲットとウェハとの距離が60mmに調整されているのに対して,ロングスロー・スパッタリング法の場合,340mmに調整される。さらに,スパッタされた金属粒子の直進性をより高めるため,一般的なスパッタリングの場合に比べてチャンバ内の真空度が高く調整される。このロングスロー・スパッタリング法によれば,スパッタされた金属粒子のうち,大きな斜め方向成分を有する金属粒子(ウェハに対する入射角がθよりも大きい金属粒子)は,ウェハに付着しなくなる。また,高い真空度によって,スパッタされた金属粒子の平均自由行路が長くなり,金属粒子の散乱が抑制される。 On the other hand, the long throw sputtering method is characterized in that the distance between the metal target and the wafer is wider than the general sputtering method. For example, in the general sputtering method, the distance between the metal target and the wafer is adjusted to 60 mm, whereas in the long throw sputtering method, the distance is adjusted to 340 mm. Furthermore, in order to further improve the straightness of the sputtered metal particles, the degree of vacuum in the chamber is adjusted higher than in the case of general sputtering. According to this long throw sputtering method, among the sputtered metal particles, metal particles having a large oblique direction component (metal particles having an incident angle with respect to the wafer larger than θ) do not adhere to the wafer. In addition, the high degree of vacuum increases the mean free path of the sputtered metal particles and suppresses the scattering of the metal particles.
そして,コリメート・スパッタリング法またはロングスロー・スパッタリング法によるチタン膜21の成膜中,SOI基板は約300℃に調整されている。 The SOI substrate is adjusted to about 300 ° C. during the formation of the titanium film 21 by the collimated sputtering method or the long throw sputtering method.
ここで,室温,200℃,300℃,400℃に調整された基板に対してロングスロー・スパッタリング法を用いて形成されたチタン膜のX線回折結果を図12に示す。この測定結果から明らかなように,300℃までは基板温度の上昇とともにチタン(200)面の配向が強くなり,400℃では(200)面の配向が弱まっている。つまり,基板温度200℃から400℃までの条件下で形成されたチタン膜は,その温度範囲以下または以上の条件下で形成されたチタン膜とは異なる結晶構造を有すると言える。 Here, FIG. 12 shows the X-ray diffraction result of the titanium film formed by using the long throw sputtering method on the substrate adjusted to room temperature, 200 ° C., 300 ° C., and 400 ° C. As is apparent from the measurement results, the orientation of the titanium (200) plane increases with increasing substrate temperature up to 300 ° C., and the orientation of the (200) plane weakens at 400 ° C. That is, it can be said that the titanium film formed under the substrate temperature condition of 200 ° C. to 400 ° C. has a different crystal structure from the titanium film formed under the temperature range or above.
チタン膜21を形成した後,SOI基板を大気に曝すことなく連続的にチタン窒化膜23(膜厚30nm)を形成する。チタン膜21は酸化し易い性質を有しているが,チタン膜21が形成された後その上面を完全に覆うチタン窒化膜(保護膜)23が連続的に形成されるため,酸化による膜質劣化が防止される。このように,チタン窒化膜23は,酸素雰囲気からチタン膜21を遮蔽する役割を果たすものであり,その膜厚も重要な意味を持つ。
After the titanium film 21 is formed, a titanium nitride film 23 (
上述のように,薄いシリサイド膜を得るためにはチタン膜21を薄く形成する必要がある。ところが,チタン膜21が膜厚15nmと極端に薄い場合,チタン窒化膜23をそれよりも厚く形成しなければ酸素がチタン窒化膜23を通過しチタン膜21に達するおそれがある。本発明は,シリサイド膜が極めて薄い場合であっても,シリサイド膜において所定の特性が得られるように案出されたものである。保護膜(チタン窒化膜)が備えるべき酸化防止機能を考慮すれば,保護膜は金属膜(チタン膜)よりも厚く,しかも30nm以上の膜厚となるように形成されることが好ましい。 As described above, in order to obtain a thin silicide film, the titanium film 21 needs to be formed thin. However, when the titanium film 21 is extremely thin with a thickness of 15 nm, oxygen may pass through the titanium nitride film 23 and reach the titanium film 21 unless the titanium nitride film 23 is formed thicker than that. The present invention has been devised so that predetermined characteristics can be obtained in a silicide film even when the silicide film is extremely thin. Considering the antioxidant function that the protective film (titanium nitride film) should have, it is preferable that the protective film is thicker than the metal film (titanium film) and has a thickness of 30 nm or more.
[工程1−3]窒素雰囲気中で1回目の熱処理(750℃)を行う。これによって,チタン膜21中のチタンと,ゲート電極11中およびシリコン単結晶層5中のシリコンが反応し,ゲート領域,ソース領域,およびドレイン領域にそれぞれ自己整合的にシリサイド膜31,32,33(膜厚30nm)が形成される(図8)。これらシリサイド膜31,32,33は,高抵抗の結晶構造C49を有する。
[Step 1-3] First heat treatment (750 ° C.) is performed in a nitrogen atmosphere. As a result, titanium in the titanium film 21 reacts with silicon in the
[工程1−4]アンモニア水と過酸化水素水の混合液によってチタン窒化膜23と未反応のチタン膜21を除去する(図9)。 [Step 1-4] The titanium nitride film 23 and the unreacted titanium film 21 are removed by a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution (FIG. 9).
[工程1−5]2回目の熱処理(850℃)を行う。これによって,高抵抗の結晶構造C49を有するシリサイド膜31,32,33はそれぞれ,低抵抗の結晶構造C54を有するシリサイド膜41,42,43に相転移する(図10)。ソース領域およびドレイン領域に形成されたシリサイド膜42,43の膜厚は,30nmであるため,シリコン単結晶層5の厚さが50nmであっても,シリサイド膜42,43の底部がシリコン酸化膜3の上面に接することはない。 [Step 1-5] A second heat treatment (850 ° C.) is performed. As a result, the silicide films 31, 32, and 33 having the high-resistance crystal structure C49 respectively undergo phase transition to the silicide films 41, 42, and 43 having the low-resistance crystal structure C54 (FIG. 10). Since the thickness of the silicide films 42 and 43 formed in the source region and the drain region is 30 nm, even if the thickness of the silicon single crystal layer 5 is 50 nm, the bottom of the silicide films 42 and 43 is the silicon oxide film. 3 is not in contact with the upper surface.
[工程1−6]以降,絶縁膜,コンタクトホール,金属配線等を形成することによってMOSトランジスタが完成する。 [Step 1-6] After that, an MOS transistor is completed by forming an insulating film, a contact hole, a metal wiring, and the like.
以上の工程1−1〜1−6によれば,ゲート領域,ソース領域,およびドレイン領域に低抵抗のシリサイド膜41,42,43が形成される。これらシリサイド膜41,42,43は,膜厚が30nmと薄いにも関わらず,図13に示すようにシート抵抗10Ω/sq.を示している(●)。しかも,シリサイド膜41,42,43のシート抵抗は,パターン幅が変化してもほぼ一定である(パターン幅依存性が極めて小さい)。したがって,本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば,完全空乏型SOIデバイスに対してもサリサイドプロセスを適用することが可能となる。なお,参考として,従来技術によって形成されたシリサイド膜(膜厚30nm)の特性曲線を図13に示す(△)。従来技術によれば,シート抵抗が100Ω/sq.を大きく上回っており,シリサイド膜が実用レベルにないことが分かる。
According to the above steps 1-1 to 1-6, low resistance silicide films 41, 42, and 43 are formed in the gate region, the source region, and the drain region. These silicide films 41, 42, and 43 have a sheet resistance of 10Ω / sq. As shown in FIG. In addition, the sheet resistance of the silicide films 41, 42, and 43 is substantially constant even if the pattern width changes (the pattern width dependency is extremely small). Therefore, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is possible to apply the salicide process even to a fully depleted SOI device. For reference, a characteristic curve of a silicide film (
ところで,工程1−1においてSOI基板全面に注入するイオンとして,ヒ素イオンに代えてアルゴンイオンを採用することも可能である。アルゴンイオンを選択した場合,イオン注入の条件は,例えば,エネルギー15keV,ドーズ量5×1014cm−2とする。これによって,シリコン単結晶層5について,その露出面から所定深さまでの領域がアモルファス化される。 By the way, it is also possible to employ argon ions instead of arsenic ions as ions implanted into the entire surface of the SOI substrate in step 1-1. When argon ions are selected, the ion implantation conditions are, for example, an energy of 15 keV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 . As a result, the region from the exposed surface to a predetermined depth of the silicon single crystal layer 5 is amorphized.
ヒ素イオンに代えてアルゴンイオンを用いた場合の利点は次の通りである。ヒ素イオンは,シリコン単結晶層5に注入されるとN型不純物となる。Nチャネル型トランジスタを形成する場合には特に問題とはならないが,Pチャネル型トランジスタを形成する場合,不純物拡散層(ソース領域,ドレイン領域)にN型不純物が存在していては,不純物拡散層の抵抗値が大きくなってしまい,トランジスタの特性上好ましくない。この点,アルゴンイオンは,シリコン単結晶層5に注入されてもP型不純物またはN型不純物のいずれにもなり難い。したがって,シリコン単結晶層5に注入するイオンとしてアルゴンを選択すれば,Pチャネル型トランジスタおよびNチャネル型トランジスタのいずれを製造する場合であっても,不純物拡散層の抵抗値が増大することはない。この結果,トランジスタの低損失・高速動作が実現する。 Advantages of using argon ions instead of arsenic ions are as follows. Arsenic ions become N-type impurities when implanted into the silicon single crystal layer 5. When an N-channel transistor is formed, there is no particular problem, but when a P-channel transistor is formed, an impurity diffusion layer is present if an N-type impurity exists in the impurity diffusion layer (source region, drain region). The resistance value of the transistor becomes large, which is not preferable in terms of transistor characteristics. In this regard, argon ions are unlikely to become either P-type impurities or N-type impurities even when implanted into the silicon single crystal layer 5. Therefore, if argon is selected as an ion to be implanted into the silicon single crystal layer 5, the resistance value of the impurity diffusion layer does not increase regardless of whether a P-channel transistor or an N-channel transistor is manufactured. . As a result, low loss and high speed operation of the transistor is realized.
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are of course within the technical scope of the present invention. Understood.
例えば,チタンによって金属膜(チタン膜21)を形成する場合に即して本発明の実施の形態を説明したが,この他,コバルトやニッケルを用いて金属膜を形成してもよい。また,金属膜の酸化を防止する保護膜として,チタン窒化膜23の他,タングステン膜を用いてもよい。 For example, although the embodiment of the present invention has been described in connection with the case where the metal film (titanium film 21) is formed of titanium, the metal film may be formed using cobalt or nickel. In addition to the titanium nitride film 23, a tungsten film may be used as a protective film for preventing oxidation of the metal film.
1:シリコン基板
3:シリコン酸化膜
5:シリコン単結晶層
7:素子分離膜
9:ゲート酸化膜
11:ゲート電極
13:サイドウォール
21:チタン膜
23:チタン窒化膜
31,32,33:シリサイド膜
41,42,43:シリサイド膜
1: Silicon substrate 3: Silicon oxide film 5: Silicon single crystal layer 7: Element isolation film 9: Gate oxide film 11: Gate electrode 13: Side wall 21: Titanium film 23: Titanium nitride films 31, 32, 33: Silicide film 41, 42, 43: Silicide film
Claims (11)
前記シリサイド膜は,
前記シリコン領域にイオンを注入して前記シリコン領域の表面をアモルファス化し,前記シリコン領域を第1の温度に調節した後に,前記シリコン領域に対して金属膜(膜厚t1)および前記金属膜を雰囲気から保護するための保護膜(膜厚t2,t2>t1)を連続的に形成し,更に前記金属膜,前記保護膜,および前記シリコン領域に対して前記第1の温度より高い第2の温度で熱処理を施し,前記金属膜に含まれる金属と前記シリコン領域に含まれるシリコンを反応させることによって形成されることを特徴とする,シリサイド膜の形成方法。 A silicide film forming method for forming a silicide film on the surface of a silicon region having a thickness of 50 nm or less,
The silicide film is
Ions are implanted into the silicon region to make the surface of the silicon region amorphous, and after adjusting the silicon region to a first temperature, a metal film (film thickness t1) and the metal film are exposed to the silicon region. A protective film (thickness t2, t2> t1) is formed continuously, and further, a second temperature higher than the first temperature with respect to the metal film, the protective film, and the silicon region. A method for forming a silicide film, wherein the silicide film is formed by reacting the metal contained in the metal film with the silicon contained in the silicon region.
前記シリコン領域上にはゲート電極が形成されることを特徴とする,請求項1〜9のいずれかに記載のシリサイド膜の形成方法。 The silicon region includes a source region and a drain region,
The method for forming a silicide film according to claim 1, wherein a gate electrode is formed on the silicon region.
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