JP2006516174A - 半導体プロセスにシリサイドコンタクトを使用する方法 - Google Patents

Abstract

シリサイドコンタクトを形成する方法は、ソース、ドレインおよびゲート領域のような、シリコンを含んだ活性デバイス領域上に、層を形成するステップを含む。この層は、一つ以上の金属シリサイドを形成できる（ニッケルのような）金属と、（NiSi₂のような）第２金属シリサイドにおいては溶解せず、（NiSiのような）第１金属シリサイド中で溶解し得る材料（例えば、金属がニッケルであれば、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、Cr、Zr）とすることができる。この層は、物理蒸着法、化学蒸着法、蒸発、レーザアブレーションまたはその他のたい積方法のようなデポジションによって、形成することができる。シリサイドコンタクトを形成する方法は、金属層を形成するステップと、上述したような材料を、金属層および（または）その下にあるシリコン層に注入するステップを含む。この材料は、金属層を形成する前に、シリコン層中に注入することができる。形成されるコンタクトは、第１金属シリサイドと、第２金属シリサイドよりも第１金属シリサイドに溶解しやすい材料を含む。
このコンタクトは、基板、シリコンを含む活性領域、および活性領域上に配置され、活性領域をメタライゼーション配線のような他の領域に電気的に接続することができるシリサイドコンタクトを含む半導体デバイスの一部となり得る。

Description

本発明は、半導体デバイス製造の分野に関する。より詳しくは、セルフアラインされたシリサイド（サリサイド）を含むシリサイドの形成に関する。

金属とシリコンから形成される合成物であるシリサイドは一般的に、半導体デバイスにおけるコンタクトに使用されている。
シリサイドコンタクトには、アルミニウムまたはポリシリコンのような他の材料から形成されるコンタクトと比較して数多くの利点がある。
シリサイドコンタクトは熱的に安定しており、ポリシリコンより低い抵抗を有し、適切にオーミックコンタクトを提供する。
さらに、シリサイド化反応によりコンタクトとデバイス構造の間の界面における不具合が数多く除去されるので、シリサイドコンタクトは信頼性が高い。

半導体製造産業において使用される一般的な技術は、セルフアラインされたシリサイド（サリサイド）プロセスである。
サリサイドプロセスは、二酸化ケイ素または窒化ケイ素とではなく、シリコン（Si）とシリサイド化反応する金属をたい積することを含む。
サリサイドコンタクトを半導体ウェーハのソース、ドレインおよびゲート領域の上に形成すべく、ゲート領域に隣接するようにオキサイドスペーサ（oxide spacer）を提供する。その後、ウェーハ上の全面に、金属をたい積する。
コンタクトを形成すべく、金属がソース、ドレインおよびゲート領域のシリコンと反応する温度までウェーハを熱した後、反応しなかった金属を除去する。
反応しなかった金属が他の領域から除去されるのに対し、シリサイドコンタクト領域がソース、ドレインおよびゲート領域上に残る。
サリサイドプロセスは当該技術分野において周知であり、例えば本発明の譲受人に譲渡された米国特許番号第６，１６５，９０３号に記載されており、この結果この特許は参照としてその全体が本願に包含される。

一般に使用されているサリサイド材料は、TiSi₂、CoSi₂およびNiSiを含んでいる。
NiSiはTiSi₂およびCoSi₂に比べ、シリサイド化の間におけるシリコン消費が少ないことのような利点をいくつか有するが、より高抵抗のニッケルジシリサイド（nickel di-silicide）やNiSi₂を形成するよりもNiSiを形成する方が難しいため、広くは使用されていない。
たとえ現在、バックエンド工程の温度を５００℃以下にできたとしても、約４５０℃くらいの低温でNiSi₂が形成されることが確認されているので、著しい量のNiSi₂の生成を伴わずにNiSiを形成するという要望は依然としてある。
したがって、NiSiを形成し易く、NiSi₂を形成しにくい方法が望ましい。

本発明の実施形態の一例によれば、トランジスタのソース、ドレインおよびゲート領域のような活性デバイス領域上にシリサイドコンタクト領域を形成する方法は、第１シリサイドを形成し易く、第２シリサイドを形成しにくい。

半導体基板上に、シリコンを含む第１領域を形成する。この第１領域上に、金属を含む層を形成する。この金属は１つ以上の金属シリサイドを形成することができる。
適当な材料をこの層の中にイオン注入する。シリコンと金属とを反応させることによって、第１領域上にたい積されたシリサイドを形成する。
シリサイド化の前に、注入された材料のほぼ全てがこの層の中にあり得る。または、注入された材料の少なくとも一部分が、その層の下にあるシリコンの中にあり得る。

本発明の実施形態の１つによれば、金属は第１シリサイドと第２シリサイドの少なくともいずれかを形成することができる。
材料は、第１シリサイド中で溶解するが、第２シリサイド中では溶解しない。さらなる実施形態の１つにおいては、材料は、第２シリサイド中よりも第１シリサイド中でより溶解し易い。
ある実施形態においては、金属はニッケル（Ni）であり、第１シリサイドはNiSiであり、第２シリサイドはNiSi₂である。材料は、ゲルマニウム（Ge）、チタン（Ti）、レニウム（Re）、タンタル（Ta）、窒素（N）、バナジウム（V）、イリジウム（Ir）、クロミウム（Cr）およびジルコニウム（Zr）からなる群から選択された元素を含んでいてもよい。
注入される材料の量は、第１シリサイドのエネルギー準位を上げるのに十分な量であるが、この材料を固溶体から分離するほどの量ではない。
例えば、材料は、シリサイドコンタクト領域の約１５原子％未満、または約５原子％から約１０原子％の間とすることができる。

材料を注入した後、１つ以上の活性領域上にシリサイドを形成すべく、基板の温度を上昇させる。
このシリサイドは、活性領域がメタライゼーション配線のような他の領域と電気的に接続できるように、コンタクトを提供する。このシリサイドは、セルフアラインされたシリサイド、またはサリサイドであってもよい。
活性領域は、ソース領域、ドレイン領域、またはゲート領域であり得る。シリサイドの形成後、反応しなかった金属を、例えば選択エッチングプロセスによって除去する。

他の実施形態においては、金属層の形成より前に、材料を活性領域中に注入する。

他の実施形態においては、シリコン含有活性領域上に、層を形成する。この層は、第１材料と第２材料とを含む。
この層は、蒸発、物理蒸着法、化学蒸着法、レーザアブレーションまたはその他のたい積方法のようなデポジションによって、形成することができる。

第１材料は、１つ以上のシリサイド合成物を形成できる金属を含んでいる。
第２材料は、第１シリサイドをエネルギー準位的に有利になるように、金属の第２シリサイドにおいてではなく金属の第１シリサイドにおいて溶解し得る材料とすることができる。
第２材料は、第１シリサイドの形成がエネルギー準位的に有利になるように、第２シリサイドよりも第１シリサイド中でより溶解し易いものとすることができる。
ある実施形態の１つにおいては、金属はニッケルであり、第１シリサイドはNiSiであり、第２シリサイドはNiSi₂である。
材料は、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、CrおよびZrからなる群から選択された元素を含んでいてもよい。
第２材料の量は、第１シリサイドをエネルギー準位的に有利なものにするのに十分な量であるが、この材料を固溶体から分離するほどの量ではない。
例えば、材料は、シリサイドコンタクト領域の約１５原子％未満、または約５原子％から約１０原子％の間とすることができる。

層を形成した後、１つ以上の活性領域上にシリサイドを形成すべく、基板の温度を上昇させる。
このシリサイドは、活性領域がメタライゼーション配線のような他の領域と電気的に接続できるように、コンタクトを提供する。このシリサイドは、セルフアラインされたシリサイド、またはサリサイドであってもよい。
活性領域は、ソース領域、ドレイン領域、またはゲート領域であり得る。シリサイドの形成後、反応しなかった金属を、例えば選択エッチングプロセスによって除去する。

本発明の実施形態のいくつかによれば、シリサイド化プロセスは１ステップで行われる。このステップにおいては、基板の温度は、所望のシリサイドを形成するのに十分な温度に上昇されている。
他の実施形態によれば、複数のステッププロセスを使用することができる。第１ステップにおいては、基板の温度は最初のシリサイドを形成する第１温度まで上げられる。第２ステップにおいては、基板の温度は最後のシリサイドを形成する第２温度まで上げられる。

本発明の実施形態の１つによれば、コンタクト領域は第１金属シリサイドおよび第１材料を含む。
第１材料は、第２金属シリサイドにおいては溶解せず、第１金属シリサイド中で溶解し得る材料とすることができる。代替的に、第１金属シリサイドをエネルギー準位的に有利になるように、第１材料は、第２金属シリサイドよりも第１金属シリサイド中でより溶解し易いものとすることができる。
この第１金属シリサイドはNiSiであり、第２金属シリサイドはNiSi₂であり得る。
第１材料は、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、Cr、TaおよびZrからなる群から選択された元素を含んでいてもよい。
第１材料の量は、第１シリサイドの形成がエネルギー準位的に有利なものにするのに十分な量であるが、この材料を固溶体から分離するほどの量ではない。
例えば、材料は、コンタクトの約１５原子％未満、または約５原子％から約１０原子％の間とすることができる。

本発明の実施形態の１つによれば、上述したようなコンタクトは、ソース、ドレインまたはゲート領域、および活性領域上に配置されるコンタクトような活性領域を備えた基板を含んだ半導体デバイスの一部であってもよい。このコンタクトは、活性領域を、メタライゼーション配線のような他の領域と接続するのに使用することができる。

以下に記載される一つ以上の実施形態を考慮すれば、当業者は、さらなる利点と同様に、本発明の複数の実施形態をより完全な理解できるであろう。
以下、添付図面について簡潔に言及する。

異なる図面において使用される同一または類似の参照番号は、同一または類似の要素を意味する。

本発明の実施形態は、著しい量のNiSi₂のような第２シリサイドの生成を伴わず、NiSiのような第１シリサイドを形成することを提供する。

本発明の実施形態の一つによれば、シリサイド領域を、半導体基板上の活性（例えばトランジスタ）領域上に形成する。
例えば、シリコン基板上に形成されたＦＥＴのソース、ドレインおよびゲート領域上にシリサイドコンタクトを形成する。
図１において、ウェーハ１０は基板１００を含む。基板１００は、ｐ型またはｎ型ドープされ得る従来の結晶のシリコン基板である。
活性領域１２０は、例えばトランジスタのソース領域またはドレイン領域である。
従来の構成のように、活性領域１２０を、フィールドオキサイド領域１１０によって他のデバイスの活性領域から分離する。
オキサイド領域１１０は、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法またはシャロートレンチ分離（ＳＴＩ）法によって形成される。
活性領域１２０は、ｎ型またはｐ型ドープされたシリコンとすることができ、周知の方法によって形成することができる。

従来のゲート領域１３０は、ゲート酸化膜１３５上に形成される。ゲート領域１３０はドープされたポリシリコンを含んでいてもよい。
オキサイドスペーサであり得るスペーサ１４０は、ゲート領域１３０の側壁に隣接して形成される。
金属層１５０は、ウェーハ１０の表面上にたい積される。
金属層１５０に他の金属を使用してもよいが、本発明の実施形態によれば、金属層１５０はニッケルを含んでいる。

材料６０は、従来のように金属層１５０中に注入される（以下、詳細に説明する）。その後温度を上昇させ、シリサイド化反応させる。
シリサイド化の間、活性領域１２０およびゲート領域１３０からのシリコンは、金属層１５０中に拡散する。そして（または）、金属層１５０からの金属は、シリコン含有活性領域１２０およびゲート領域１３０中に拡散する。
この反応により、一つ以上の金属シリサイド領域が形成される。
金属層１５０が、（酸化シリコンまたは窒化ケイ素のような）他のシリコン含有分子でではなく、（結晶、アモルファスおよび多結晶の）シリコン単体で、シリサイドを形成する金属を含んでいる場合、このシリサイドは、サリサイド、セルフアラインされたシリサイドと呼ばれる。

シリサイド化の後、反応しなかった金属を、例えば選択エッチングプロセスによって除去する。金属層１５０がニッケルを含んでいる実施形態においては、ウェーハ上の反応しなかったニッケルをウェットケミカルストリッピングによって除去してもよい。
このウェーハを、H₂SO₄、H₂O₂および（ＳＰＭとして知られている）水の溶液、またはNH₄OH、H₂O₂および（ＡＰＭとして知られている）水の水溶液中に浸してもよい。
ある実施形態の一つによれば、反応しなかったニッケルを、約６分の間約２０℃（または、例えば８０℃までのより高い温度）で、１：１：１０のＡＰＭ溶液中にウェーハを浸し、その後約１０分の間約２０℃（または２０°以上）で、７：１のＳＰＭ溶液中にウェーハを浸すことによって除去する。ウェーハを浸す手順は逆であっても構わない。
反応しなかった金属を除去した後、残ったシリサイド領域は、メタライゼーション配線のようなウェーハ上の他の構造に、活性領域およびゲート領域を接続する電気的なコンタクトを提供する。

本発明の実施形態の一つによれば、材料６０は、金属層１５０に含まれる金属の第１シリサイドには溶解し得るが、金属層１５０に含まれる金属の第２シリサイドには溶解しない。
代替的に、可溶性の差が第２シリサイドよりも第１シリサイドをエネルギー準位的に有利なものとするのに十分な限り、材料６０は第２シリサイドよりも第１シリサイドにより溶解し易いようにしてもよい。

例えば、金属層１５０がニッケルを含む場合、NiSiおよびNiSi₂を含んだ多くの異なるシリサイドが形成され得る。
NiSiのシート抵抗はNiSi₂のシート抵抗よりも低く、また、NiSiの形成に消費されるシリコンの量は、NiSi₂の形成に消費されるシリコンの量に比べて非常に少ないので、コンタクト材料としてNiSi₂よりもNiSiが好まれる。
しかしながら、NiSiを形成するのに必要な温度が約３２０℃である一方、NiSi₂は約４５０℃くらいの低温で生成されることが分かっているので、NiSi₂が形成されることを回避するのは困難である。

NiSiと注入された材料との溶液のギブス自由エネルギー（Gibbs free energy）は、NiSi₂と注入された材料とが分離し状態での混合物のギブス自由エネルギーよりも低い。このことから、NiSi₂中で溶解せずNiSi中で溶解し得る材料を注入することは、熱力学的にNiSi₂を形成しにくい。

図２Ａに、簡単に示すように、分離した状態に維持される２つの材料Ａ、Ｂの場合を考える。
内部エネルギーＵ、圧力Ｐ、体積Ｖ、温度Ｔ、エントロピーＳ、ギブス自由エネルギーＧについては、以下のような数式１が成り立つ。

[数１]
Ｇ＝Ｕ＋ＰＶ−ＴＳ

分子あたりの自由エネルギーがＧ_Ａ ^０である材料Ａのｎ_Ａ分子、分子あたりの自由エネルギーがＧ_Ｂ ^０である材料Ｂのｎ_Ｂ分子についての系の自由エネルギーについては、以下のように表すことができる。

[数２]
Ｇ＝ｎ_ＡＧ_Ａ ^０＋ｎ_ＢＧ_Ｂ ^０

ｘを材料Ｂの分子である分子の分数として定義する場合、以下のようになる。

それから、Ｇを、以下の数式によるようにリライトすることができる。

[数４]
Ｇ＝（１−ｘ）Ｇ_Ａ ^０＋ｘＧ_Ｂ ^０

図２Ｂに、２つの材料ＡおよびＢの混合される場合を示す。
混合に際してＵまたはＶが変化しない単純な場合については、材料ＡとＢの混合が許される場合、自由エネルギーの変化は、混合エントロピ×温度と等しい。

その結果、自由エネルギーは、以下の数式によるように変化する。

特にx＜１であるので、混合物のギブス自由エネルギーは、分離した材料の自由エネルギー未満である。
それゆえ、NiSiにおいて溶解するがNiSi₂において溶解しない材料を注入することによって、NiSiの形成は、エネルギー準位的に有利である。

本発明の実施形態の一つによれば、金属層１５０はニッケルを含んでおり、材料６０は、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、Cr、Zr、または上述した特徴を有する他の適切な材料を含む。
注入される材料６０の量は、NiSi₂の形成をエネルギー準位的に不利にするのに十分な量であるが、この材料を固溶体から分離するほどの量ではない。
例えば、材料は、金属層１５０の約１５原子％未満、または約５原子％から約１０原子％の間とすることができる。

以下の表１に、約１５０ÅのSi注入深さで、約３００Åの厚みまでのNiSiを形成するための、注入ビームエネルギーを記載する。
材料が金属層１５０の約１０原子％である場合、注入ドーズ量は、約１×１０^１８ｃｍ^−２であり得る。
材料が金属層１５０の約１５原子％である場合、注入ドーズ量は、約１．５×１０^１８ｃｍ^−２であり得る。
これらのように高いドーズ量については、プラズマイオン注入（plasma immersion ion implantation）は、ビームラインイオン注入よりも大きなスループットを提供することができる（ビームラインイオン注入またはその他の方法を使用してもよいが）。

材料６０を、ゲート１３０および活性領域１２０のようなシリコン領域中、または金属層１５０中に注入することができる。
材料６０は、金属層１５０の形成の前または後に、シリコン領域に注入され得る。
材料６０は、その量が第２シリサイドの形成よりも第１シリサイドの形成をエネルギー準位的に好ましいものとするのに十分な限り、金属層１５０およびシリコン領域の両方に注入され得る。

本発明の他の実施形態によると、図３は、基板１００を含むウェーハ１０を示す。
図１で示される実施形態と同様、基板１００は、ｐ型またはｎ型ドープされ得る結晶性のシリコン基板である。
ソース領域またはドレイン領域であり得る活性領域１２０は、オキサイド領域１１０によって、他のデバイスの活性領域から分離される。
オキサイド領域１１０は、例えばＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）方法によって、またはＳＴＩ（shallow trenchisolation）方法によって形成することができる。
活性領域１２０は、ｎ型またはｐ型ドープされたシリコンとすることができ、既知の方法によって形成することができる。

ゲート領域１３０は、ゲート酸化膜１３５上に形成される。ゲート領域１３０は従来のように、ドープされたポリシリコンを含んでいてもよい。
オキサイドスペーサであり得るスペーサ１４０は、ゲート領域１３０に隣接して形成される。
層１６０は、（以下に詳細に説明するように）ウェーハ１０の表面上にたい積される。層１６０は、シリサイドおよび追加の材料を形成できる金属を含む。
この金属は、第１シリサイドおよび第２シリサイドを形成することができ、追加の材料は、第１シリサイド中に溶解するが、第２シリサイド中に溶解しないものとすることができる。

より信頼できるNiSiコンタクトを製造できるようにすべく、NiSi₂の形成がエネルギー準位的に不利になるように、例えばこの金属をニッケルとすることができ、この材料をNiSiに溶解するがNiSi₂に溶解しないようにすることができる。

層１６０は、様々な方法によって形成することができる。例えば、層１６０は蒸着（vapor deposition）プロセスを使用してたい積してもよい。
この蒸着には、物理蒸着法およびレーザ・アブレーションが含まれるが、蒸発（evaporation）に限られない。
本発明の実施形態の一つによれば、層１６０は、スパッタ・ターゲットを使用する物理蒸着法によってたい積される。
このスパッタ・ターゲットは、NiSi₂の形成を回避すべく使用される割合で、金属および追加の材料を含む。
スパッタ・ターゲット中の追加の材料の割合は、実効的になるほど十分に、しかし、追加の材料が固溶体から分離してしまうほど多くはない。
例えば、金属がニッケルであり、追加の材料がGe、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、CrおよびZrからなる群から選択される。この追加の材料の割合は、約１５原子％未満、または約５原子％から約１０原子％の間とすることができる。

層１６０をたい積すべく、ウェーハ１０はスパッタ・チャンバに導かれる。従来のように、材料はスパッタ・ターゲットからスパッタリングされ、ウェーハ１０上に層１６０を形成する。
層１６０がウェーハ１０上に形成された後、シリコンを、層１６０の１つ以上の金属成分と反応させることによってシリサイドを形成すべく、ウェーハ１０の温度を上昇させる。
シリサイド化プロセスについては、以下により詳細に記載する。

本発明のある実施形態の一つにおいては、単一のＲＴＡ（rapid thermal anneal ）ステップを使用して、シリサイド化を実行する。
ＲＴＡの間、所望のシリサイド、例えばNiSiを形成するのに十分な温度までウェーハの温度を上昇させる。
他の実施形態においては、２つのステッププロセスを実行する。

NiSiコンタクト領域を形成する２ステップシリサイド化プロセスの実施形態の一例は、以下のとおりである。
第１ＲＴＡの間、約５秒から約６０秒の間、その温度を約３２０℃から約４５０℃の間まで上昇させる。
シリコンが、図１および図３のスペーサ１４０のようなスペーサの方に拡散しない程度に低い温度で、この第１ＲＴＡの間にジニッケルシリサイドNi₂Siが形成される。シリコンの上部スペーサへの拡散は、デバイス中を短絡させることになり得る。
第１ＲＴＡの後、反応しなかったメタライゼーション（例えば、図１の金属層１５０、またはスペーサ１４０上に配置される図３の層１６０、オキサイド領域１１０、その他ウェーハ１０のシリコンでない領域）を除去する選択エッチングを実行する。
その後、第２ＲＴＡを実行する。この間、約５秒から約６０秒の間、その温度を約４００℃から約５５０℃の間まで上昇させる。
この第２ＲＴＡの間、低抵抗のNiSi相が形成される。

本発明の特定の実施形態をいくつか示して説明したが、そのより広い態様においてこの発明から離れることなく、変形および修正をすることができることは、当業者に明らかであろう。したがって、添付の請求項は、その範囲内において、この発明の真の趣旨および範囲内にあるような全てのこのような変形及び修正例を包含する。

本発明のある実施形態による、あるシリサイドが形成されにくくし、別のシリサイドの形成を促進すべく、材料を注入することを含んでいる、シリサイドコンタクト領域を形成するプロセス中のウェーハの断面を示す図。 そのギブス自由エネルギーが、混合エントロピーと等しい量だけ異なる、２つの成分系を示す図。 そのギブス自由エネルギーが、混合エントロピーと等しい量だけ異なる、２つの成分系を示す図。 本発明のある実施形態による、あるシリサイドが形成されにくくし、別のシリサイドの形成を促進すべく、金属および追加の材料を含んだ層を形成することを含んでいる、シリサイドコンタクト領域を形成するプロセス中のウェーハの断面を示す図。

Claims (10)

1. 半導体基板上に、シリコンを含む第１領域を形成するステップと、
   前記第１領域上に、一つ以上の金属シリサイドを形成できる金属を含む層を形成するステップと、
   前記層に、材料を注入するステップと、
   前記シリコンと前記金属を反応させることによって、前記第１領域上に配置されるシリサイドを形成するステップと、を含む、
   半導体プロセス方法。
2. 前記金属は、第１シリサイドおよび第２シリサイドを形成することができ、前記材料は、前記第２シリサイドよりも前記第１シリサイドに溶解しやすい、請求項１記載の方法。
3. 前記金属は、ニッケルを含んでおり、前記第１シリサイドはNiSiを含んでおり、前記第２シリサイドはNiSi₂を含んでいる、請求項２記載の方法。
4. 前記金属は、ニッケルを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記材料は、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、CrおよびZrからなる群から選択された元素を含む、請求項４記載の方法。
6. 前記シリサイドを形成するステップは、前記半導体基板の温度を上昇させるステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記シリサイドは、前記第１領域と電気的接触を提供するように構成されるコンタクトを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記シリサイドは、セルフアラインされたシリサイドである、請求項１記載の方法。
9. 前記材料は、前記シリサイドの約１５原子％未満である、請求項１記載の方法。
10. 前記材料は、前記シリサイドの約５原子％から約１０原子％の間である、請求項１記載の方法。

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