JP2007324187A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Michiichi Matsumoto
道一 松元
Yasutoshi Okuno
泰利 奥野
Masabumi Kubota
正文 久保田
Seiji Ueda
誠二 上田
Hiroshi Iwai
洋 岩井
Kazuo Tsutsui
一生 筒井
Ahmet Parhat
アヘメド パールハット
Kuniyuki Kadoshima
邦之 角嶋
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Tokyo Institute of Technology NUC
Panasonic Holdings Corp
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Tokyo Institute of Technology NUC
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an Ni silicide layer having excellent heat resistance on an n-type silicon layer. <P>SOLUTION: After an Al film 8 and an Ni film 9 are sequentially deposited on a gate electrode 4 and a source/drain diffusing layer 7, the heat treatment is conducted to form an Ni silicide layer 10 including Al at the upper part of the n-type silicon layer forming the gate electrode 4 and source/drain diffusing layer 7. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にシリサイド層の構造及びその形成方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a structure of a silicide layer and a method for forming the same.

一般にMOS(metal-oxide semiconductor )トランジスタでは、コンタクト抵抗及び配線抵抗などの寄生抵抗を低減することが動作速度を向上するための重要な要素である。これらのトランジスタの寄生抵抗の低減は、一般にソース・ドレイン領域及びゲート電極のそれぞれの上部をシリサイド化することにより行われている。   In general, in a metal-oxide semiconductor (MOS) transistor, reducing parasitic resistance such as contact resistance and wiring resistance is an important factor for improving the operation speed. The parasitic resistance of these transistors is generally reduced by siliciding the upper portions of the source / drain regions and the gate electrode.

大規模な半導体集積回路装置(LSI)の集積度を上げるためには、横方向寸法を縮小するだけではなく、縦方向寸法の縮小化も必要である。縦方向寸法の縮小化の1つとして、ソース・ドレイン領域の不純物拡散層の接合深さを浅くする必要がある。しかしながら、半導体基板内の拡散層の厚さを薄くすると、拡散層の抵抗が高くなり、半導体装置の動作速度が低下するという問題がある。これに対しては、拡散層の表層に金属シリサイド層を形成し、それによってソース・ドレイン抵抗を下げることが有効である。金属シリサイド層を形成する方法としては、シリコン基板上及びゲート電極となるポリシリコン上に金属膜を堆積し、当該金属膜に熱処理を加えることにより、シリコンと金属とを反応させ、それによってソース・ドレイン領域及びゲート電極のそれぞれの上部をシリサイド化する方法が従来から用いられてきた。尚、ソース・ドレイン領域の不純物拡散層を浅接合にする場合には、シリサイド層を形成する材料として、シリサイド化反応時のシリコン消費量を低減できる材料を用いる必要がある。   In order to increase the degree of integration of a large-scale semiconductor integrated circuit device (LSI), it is necessary not only to reduce the horizontal dimension but also to reduce the vertical dimension. As one of the reductions in the vertical dimension, it is necessary to reduce the junction depth of the impurity diffusion layer in the source / drain region. However, when the thickness of the diffusion layer in the semiconductor substrate is reduced, there is a problem that the resistance of the diffusion layer increases and the operation speed of the semiconductor device decreases. For this, it is effective to form a metal silicide layer on the surface layer of the diffusion layer, thereby reducing the source / drain resistance. As a method of forming a metal silicide layer, a metal film is deposited on a silicon substrate and polysilicon to be a gate electrode, and heat treatment is applied to the metal film to cause silicon and metal to react with each other. A method of silicidizing the upper portions of the drain region and the gate electrode has been conventionally used. When the impurity diffusion layers in the source / drain regions are shallow junctions, it is necessary to use a material that can reduce the silicon consumption during the silicidation reaction as a material for forming the silicide layer.

シリコン消費量を低減することが可能な材料として低抵抗なモノシリサイドを形成するニッケル(Ni)を用いたシリサイド形成技術が開発されている。   A silicide forming technique using nickel (Ni) that forms low-resistance monosilicide as a material capable of reducing silicon consumption has been developed.

ところが、Niシリサイドのダイシリサイド相であるNiSi2 は、シリコンの格子定数に非常に近い格子定数を有するため、後工程の高温熱処理や不適切なプロセス条件に起因して逆ピラミッド状の界面を形成することが知られている。また、シリサイド膜は凝集によって高抵抗化することも知られている。従って、後工程の高温熱処理の温度に対する耐性(耐熱性)を向上させ、それによって安定にNiシリサイドを形成する方法が必要となる。このような方法として、シリサイドを合金化する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。この先行技術において、低抵抗モノシリサイド相であるNiSiに添加することによってNiSiを安定化させる効果を奏する元素として、Ge、Ti、Re、Ta、N、V、Ir、Cr及びZrが挙げられている(例えば非特許文献1参照)。また、Zrと良く似た物理化学的性質を示す元素であるHfについても、同様の効果が得られることを示唆する報告がなされている(例えば非特許文献2参照)。さらに、Mo、Ir、Co及びPtなどについても、同様の効果が得られることを示唆する報告がなされている(例えば非特許文献3〜5参照)。
米国特許第6689688号公報(“Method And Device Using Silicide Contacts For Semiconductor Processing”, Paul Raymond Besser, 2004/Feb/10) Min-Joo Kim, Hyo-Jick Choi, Dae-Hong Ko, Ja-Hum Ku, Siyoung Choi, Kazuyuki Fujihara, and Cheol-Woong Yang,“High Thermal Stability of Ni Monosilicide from Ni-Ta Alloy Films on Si(100)”, Electrochem. Solid-State Lett. 6, 2003年, G122 項端飛(東工大)、“Hfを添加したNiシリサイドの形成“、第65回応用物理学会学術講演会−講演予稿集、2004年秋季9月1日〜4日、p.708(講演番号2P−M−10) Young-Woo Ok, Chel-Jong Choi, and Tae-Yeon Seong, “Effect of a Mo Interlayer on the Electrical and Structural Properties of Nickel Silicides”, J. Electrochem. Soc. 150, 2003年, G385 Jer-shen Maa, Yoshi Ono, Douglas J. Tweet, Fengyan Zhang, and Sheng Teng Hsu, “Effect of interlayer on thermal stability of nickel silicides”, J. Vac. Sci. Technol. A 19, 2001年, p.1595 D. Mangelinck, J. Y. Dai, J. S. Pan, and S. K. Lahiri, “Enhancement of thermal stability of NiSi films on (100)Si and (111)Si by Pt addition ”, Appl. Phys. Lett. 75, 1999年, p.1736 E. Horach, J.E. Fischer, and J.Von. der Spiegel, “Nb/Ni and Ni/Nb bilayers on Si:Rapid thermal processing, phase separation, and ternary phase formation”, J. Appl. Phys. 69, 1991年, p.7029 R.N. Wang and J.Y. Feng, “Comparison of the thermal stabilities of NiSi films in Ni/Si, Ni/Pd/Si and Ni/Pt/Si Systems”, J. Phys.:Condens. Matter 15, 2003年, p.1935
However, NiSi 2 , which is the disilicide phase of Ni silicide, has a lattice constant very close to that of silicon, and forms an inverted pyramid-like interface due to high-temperature heat treatment in the subsequent process and inappropriate process conditions. It is known to do. It is also known that the resistance of the silicide film is increased by aggregation. Therefore, there is a need for a method of improving the resistance (heat resistance) to the temperature of the high-temperature heat treatment in the subsequent process, thereby stably forming Ni silicide. As such a method, a method of alloying silicide has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this prior art, Ge, Ti, Re, Ta, N, V, Ir, Cr, and Zr are listed as elements that have the effect of stabilizing NiSi by adding to NiSi, which is a low-resistance monosilicide phase. (For example, refer nonpatent literature 1). There has also been a report suggesting that the same effect can be obtained for Hf, which is an element exhibiting physicochemical properties very similar to Zr (see, for example, Non-Patent Document 2). Furthermore, reports have been made to suggest that similar effects can be obtained for Mo, Ir, Co, Pt, and the like (see, for example, Non-Patent Documents 3 to 5).
US Pat. No. 6,689,688 (“Method And Device Using Silicide Contacts For Semiconductor Processing”, Paul Raymond Besser, 2004 / Feb / 10) Min-Joo Kim, Hyo-Jick Choi, Dae-Hong Ko, Ja-Hum Ku, Siyoung Choi, Kazuyuki Fujihara, and Cheol-Woong Yang, “High Thermal Stability of Ni Monosilicide from Ni-Ta Alloy Films on Si (100) ”, Electrochem. Solid-State Lett. 6, 2003, G122 Fei Nakata (Tokyo Institute of Technology), “Formation of Ni silicide doped with Hf”, The 65th Annual Conference of the Japan Society of Applied Physics-Proceedings of Lectures, September 1-4, 2004, p.708 2P-M-10) Young-Woo Ok, Chel-Jong Choi, and Tae-Yeon Seong, “Effect of a Mo Interlayer on the Electrical and Structural Properties of Nickel Silicides”, J. Electrochem. Soc. 150, 2003, G385 Jer-shen Maa, Yoshi Ono, Douglas J. Tweet, Fengyan Zhang, and Sheng Teng Hsu, “Effect of durable on thermal stability of nickel silicides”, J. Vac. Sci. Technol. A 19, 2001, p.1595 D. Mangelinck, JY Dai, JS Pan, and SK Lahiri, “Enhancement of thermal stability of NiSi films on (100) Si and (111) Si by Pt addition”, Appl. Phys. Lett. 75, 1999, p. 1736 E. Horach, JE Fischer, and J. Von. Der Spiegel, “Nb / Ni and Ni / Nb bilayers on Si: Rapid thermal processing, phase separation, and ternary phase formation”, J. Appl. Phys. 69, 1991 , p.7029 RN Wang and JY Feng, “Comparison of the thermal stabilities of NiSi films in Ni / Si, Ni / Pd / Si and Ni / Pt / Si Systems”, J. Phys.:Condens. Matter 15, 2003, p.1935

本願発明者らは、Niシリサイドの耐熱性向上を目的として、上記各種文献に記載されている元素を用いた場合の効果を検討してみた。   The inventors of the present application have studied the effects of using elements described in the above-mentioned various documents for the purpose of improving the heat resistance of Ni silicide.

まず、非特許文献6及び7に示されているNi金属膜と他の金属膜との積層膜を形成してそれらを合金化する方法に関し、他の金属膜をHf、Zr、Pt、Ta及びV等により構成した場合の効果を検討してみたところ、著しい耐熱性向上を示す元素を見つけることができなかった。また、上記金属膜の積層方法として、他の金属膜をNi金属膜とシリコン層との界面に挿入する方法、他の金属膜をNi金属膜表面に堆積する方法、又は第1のNi金属膜と第2のNi金属膜との間に他の金属膜を挿入する方法を試みたが、いずれの場合にも耐熱性向上効果は得られなかった。   First, regarding a method of forming a laminated film of an Ni metal film and another metal film shown in Non-Patent Documents 6 and 7 and alloying them, the other metal film is made of Hf, Zr, Pt, Ta and As a result of examining the effect when it is constituted by V or the like, an element showing a remarkable improvement in heat resistance could not be found. Further, as a method of laminating the metal film, a method of inserting another metal film into the interface between the Ni metal film and the silicon layer, a method of depositing another metal film on the surface of the Ni metal film, or a first Ni metal film Attempts were made to insert another metal film between the first Ni metal film and the second Ni metal film, but no heat resistance improvement effect was obtained in either case.

また、本願発明者らがさらに実験を進めた結果、Ni単層膜を用いて形成したNiシリサイド層、又はNi膜とHf、Zr、Pt、Ta若しくはV等の他の金属膜とを堆積して形成した他金属含有シリサイド層では、下地基板の注入不純物種(N型不純物、P型不純物)によってNiシリサイドの耐熱性が異なり、下地基板の注入不純物がN型である場合、当該不純物がP型である場合と比較して、耐熱性が大きく劣化するという新規な課題を見出した。具体的には、以下に詳細に説明するように、実験では、下地基板の注入不純物がN型である場合と当該不純物がP型である場合とで、耐熱性に約100℃以上の差が確認された。   Further, as a result of further experiments by the inventors of the present application, a Ni silicide layer formed using a Ni single layer film or a Ni film and another metal film such as Hf, Zr, Pt, Ta or V are deposited. In the other metal-containing silicide layer formed in this manner, the heat resistance of Ni silicide differs depending on the implanted impurity species (N-type impurity, P-type impurity) of the underlying substrate. If the implanted impurity of the underlying substrate is N-type, the impurity is P As compared with the case of the mold, the present inventors have found a new problem that the heat resistance is greatly deteriorated. Specifically, as described in detail below, in the experiment, there is a difference of about 100 ° C. or more in heat resistance between the case where the implanted impurity of the base substrate is N-type and the case where the impurity is P-type. confirmed.

図6は、従来の半導体装置の一例としてのMOSトランジスタの断面構成を示している。図6に示すように、シリコン基板101にはMOSトランジスタ同士を電気的に分離する分離絶縁膜102が設けられている。シリコン基板101における分離絶縁膜102に囲まれたトランジスタ形成領域の上には、ゲート絶縁膜103を介して、ポリシリコン膜からなるゲート電極104が形成されている。シリコン基板101におけるゲート電極104の両側にはLDD(lightly doped drain )層105が形成されている。ゲート電極104の両側面にはサイドウォール絶縁膜106が形成されている。シリコン基板101におけるゲート電極104から見てサイドウォール絶縁膜106の外側にはソース・ドレイン拡散層107が形成されている。ゲート電極104及びソース・ドレイン拡散層107のそれぞれの上部にはNiシリサイド層111が形成されている。   FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of a MOS transistor as an example of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 6, the silicon substrate 101 is provided with an isolation insulating film 102 that electrically isolates the MOS transistors. On the transistor formation region surrounded by the isolation insulating film 102 in the silicon substrate 101, a gate electrode 104 made of a polysilicon film is formed via a gate insulating film 103. LDD (lightly doped drain) layers 105 are formed on both sides of the gate electrode 104 in the silicon substrate 101. Sidewall insulating films 106 are formed on both side surfaces of the gate electrode 104. A source / drain diffusion layer 107 is formed outside the sidewall insulating film 106 when viewed from the gate electrode 104 in the silicon substrate 101. A Ni silicide layer 111 is formed on each of the gate electrode 104 and the source / drain diffusion layer 107.

一般的に、LSI(large scale integrated circuit)を形成する場合にはCMOS(complementary metal-oxide semiconductor )構造を用いるため、MOSトランジスタとしてN型MOSトランジスタ及びP型MOSトランジスタの両方を形成する。図6は、当該CMOS構造の一部であるN型MOSトランジスタの断面構造を示したものである。   In general, when an LSI (large scale integrated circuit) is formed, a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) structure is used, and therefore both an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor are formed as MOS transistors. FIG. 6 shows a cross-sectional structure of an N-type MOS transistor which is a part of the CMOS structure.

また、図6に示したMOSトランジスタのNiシリサイド層111は、Ni単層膜を堆積した後に低温の熱処理を行うことによって得られたNiシリサイド層である。一般的に、500℃程度の低温熱処理によって形成されたNiシリサイドはNiモノシリサイド(NiSi)である。   The Ni silicide layer 111 of the MOS transistor shown in FIG. 6 is a Ni silicide layer obtained by performing low-temperature heat treatment after depositing a Ni single layer film. In general, Ni silicide formed by low-temperature heat treatment at about 500 ° C. is Ni monosilicide (NiSi).

ところで、以上のように低温熱処理によって形成された図6に示すNiシリサイド層111は、その後の工程においても熱処理を受けることになる。このとき、後工程の熱処理温度が高いと、Niシリサイド層111がダイシリサイド相(NiSi2 )に変化したり、又は凝集を生じて断線し、その結果、Niシリサイド層111、つまりシリコン層上部に形成されたシリサイド層のシート抵抗値が非常に大きくなる。 By the way, the Ni silicide layer 111 shown in FIG. 6 formed by the low-temperature heat treatment as described above is also subjected to the heat treatment in the subsequent steps. At this time, if the heat treatment temperature in the post process is high, the Ni silicide layer 111 changes to a disilicide phase (NiSi 2 ) or agglomerates and breaks. The sheet resistance value of the formed silicide layer becomes very large.

図7は、従来の半導体装置におけるシリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性(具体的にはシート抵抗の熱処理温度依存性)を示す図である。尚、図7においては、シリコン基板にN型不純物が導入されてなるN+ 型ソース・ドレイン拡散層(図6のソース・ドレイン拡散層107に相当)の上又はN+ 型ポリシリコンからなるゲート電極(図6のゲート電極104に相当)の上に形成されたNiシリサイド層のシート抵抗の熱処理温度依存性と、シリコン基板にP型不純物が導入されてなるP+ 型ソース・ドレイン拡散層の上又はP+ 型ポリシリコンからなるゲート電極の上に形成されたNiシリサイド層のシート抵抗の熱処理温度依存性とを比較して示している。ここで、いずれのNiシリサイド層も厚さ12nmのNi単層膜を用いて形成したものである。 FIG. 7 is a diagram showing the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the silicon layer in the conventional semiconductor device (specifically, the heat resistance temperature dependence of the sheet resistance). In FIG. 7, the gate is formed on an N + type source / drain diffusion layer (corresponding to the source / drain diffusion layer 107 in FIG. 6) in which an N type impurity is introduced into a silicon substrate or an N + type polysilicon. The heat treatment temperature dependence of the sheet resistance of the Ni silicide layer formed on the electrode (corresponding to the gate electrode 104 in FIG. 6) and the P + -type source / drain diffusion layer formed by introducing P-type impurities into the silicon substrate The graph shows a comparison of the heat resistance temperature dependence of the sheet resistance of the Ni silicide layer formed on the gate electrode made of P + type polysilicon. Here, each Ni silicide layer is formed using a Ni single layer film having a thickness of 12 nm.

図7に示すように、従来の半導体装置においては、N型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性は、P型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性と比較して約100℃低くなっており、今後のメモリ・ロジック混載型の半導体装置の製造プロセス等における500℃を超える高温熱処理において問題が生じることが予想される。尚、本願発明者らは、上記各種検討と同時に、Ni金属膜と他の金属膜との積層膜を形成してそれらを合金化する方法を、他の金属をHf、Zr、Pt、Ta及びV等として、N型シリコン層上でのNiシリサイド層の形成に適用してみたが、N型シリコン層上のNiシリサイド層の耐熱性を向上させることができる元素を見つけることができなかった。   As shown in FIG. 7, in the conventional semiconductor device, the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the N-type silicon layer is compared with the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the P-type silicon layer. The temperature is lowered by about 100 ° C., and it is expected that a problem will occur in a high-temperature heat treatment exceeding 500 ° C. in a manufacturing process of a future memory / logic mixed type semiconductor device. In addition, the inventors of the present application, simultaneously with the above various studies, have formed a method of forming a laminated film of a Ni metal film and another metal film and alloying them with other metals Hf, Zr, Pt, Ta and As V and the like, it was applied to the formation of the Ni silicide layer on the N-type silicon layer, but an element capable of improving the heat resistance of the Ni silicide layer on the N-type silicon layer could not be found.

前記に鑑み、本発明は、下地基板等の注入不純物種(N型不純物、P型不純物)によってNiシリサイドの耐熱性が異なり、下地基板等の注入不純物がN型である場合にP型である場合と比べて耐熱性が大きく劣化するという問題を解決すること、つまり、N型シリコン層上に優れた耐熱性を持つNiシリサイド層を形成できるようにすることを目的とする。   In view of the above, the present invention is P-type when the heat resistance of Ni silicide differs depending on the implanted impurity species (N-type impurity, P-type impurity) such as the base substrate, and the implanted impurity such as the base substrate is N-type. The object is to solve the problem that the heat resistance is greatly deteriorated as compared with the case, that is, to form a Ni silicide layer having excellent heat resistance on the N-type silicon layer.

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板における前記ゲート電極の両側に形成されたソース・ドレイン領域とを有するトランジスタを備えた半導体装置であって、前記ゲート電極及び前記ソース・ドレイン領域との少なくとも一方は、V族元素が不純物として導入されたN型シリコン含有層であり、前記シリコン含有層の上部に、アルミニウム、ガリウム又はタリウムの少なくとも1つである III族元素を含有するニッケルシリサイド層が形成されている。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention comprises a transistor having a gate electrode formed on a semiconductor substrate and source / drain regions formed on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. In the semiconductor device, at least one of the gate electrode and the source / drain region is an N-type silicon-containing layer into which a group V element is introduced as an impurity, and an aluminum, A nickel silicide layer containing a group III element that is at least one of gallium or thallium is formed.

本発明の半導体装置において、前記 III族元素がアルミニウムである場合、前記ニッケルシリサイド層中のアルミニウムは、主として前記ニッケルシリサイド層の表面部に分布していてもよいし、又は前記ニッケルシリサイド層中のアルミニウムは、前記ニッケルシリサイド層における前記シリコン含有層との界面近傍にも分布していてもよい。   In the semiconductor device of the present invention, when the group III element is aluminum, the aluminum in the nickel silicide layer may be distributed mainly on the surface portion of the nickel silicide layer, or in the nickel silicide layer Aluminum may also be distributed in the vicinity of the interface between the nickel silicide layer and the silicon-containing layer.

また、本発明の半導体装置において、前記ニッケルシリサイド層中の III族元素は、前記ニッケルシリサイド層のグレインバウンダリにも分布していてもよい。   In the semiconductor device of the present invention, the group III element in the nickel silicide layer may be distributed also in the grain boundary of the nickel silicide layer.

さらに、前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板における前記ゲート電極の両側に形成されたソース・ドレイン領域とを有するトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、前記ゲート電極及び前記ソース・ドレイン領域との少なくとも一方は、V族元素が不純物として導入されたN型シリコン含有層であり、前記シリコン含有層の上に、アルミニウム、ガリウム又はタリウムの少なくとも1つである III族元素を含有する第1の膜を形成する工程と、前記第1の膜の上に、ニッケルを含有する第2の膜を形成する工程と、前記第1の膜及び前記第2の膜に対して熱処理を実施し、それによって、前記シリコン含有層の上部に、前記 III族元素を含有するニッケルシリサイド層を形成する工程とを備えている。ここで、本発明の半導体装置の製造方法は、トランジスタ間を分離する分離絶縁膜を形成する工程、ゲート電極の側面にサイドウォール絶縁膜を形成する工程、ゲート電極又はソース・ドレイン領域となるN型シリコン含有層の表面を清浄化する工程、及び、シリサイド層形成後に未反応の第1の膜( III族元素含有膜)及び第2の膜(ニッケル含有膜)を除去する工程等をさらに備えていてもよい。   In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a gate electrode formed on a semiconductor substrate, and source / drain regions formed on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. And at least one of the gate electrode and the source / drain region is an N-type silicon-containing layer into which a group V element is introduced as an impurity. Forming a first film containing a group III element that is at least one of aluminum, gallium, or thallium on the containing layer; and a second film containing nickel on the first film And heat-treating the first film and the second film, whereby the group III element is formed on the silicon-containing layer. And a step of forming a nickel silicide layer having. Here, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an isolation insulating film for separating transistors, a step of forming a sidewall insulating film on the side surface of the gate electrode, and an N serving as a gate electrode or a source / drain region. A step of cleaning the surface of the silicon-containing layer, and a step of removing the unreacted first film (group III element-containing film) and second film (nickel-containing film) after the silicide layer is formed. It may be.

本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1の膜がアルミニウム膜であり、前記第2の膜がニッケル膜である場合、前記ニッケル膜の膜厚に対する前記アルミニウム膜の膜厚の比率は2.5%以上で且つ25%以下であることが好ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when the first film is an aluminum film and the second film is a nickel film, the ratio of the thickness of the aluminum film to the thickness of the nickel film is 2. It is preferably 5% or more and 25% or less.

従来の半導体装置においては、N型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性は、P型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性と比較して約100℃低くなるという問題が生じていたのに対して、本発明によると、N型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性を、P型シリコン層上に形成されたNiシリサイド層の耐熱性と同程度まで向上させることができるという優れた効果が得られる。従って、Niシリサイド層形成後の後工程で高温プロセスが必要となる場合においても、半導体装置の耐熱性の劣化を防止することができる。   In the conventional semiconductor device, the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the N-type silicon layer is about 100 ° C. lower than the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the P-type silicon layer. However, according to the present invention, the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the N-type silicon layer is approximately the same as the heat resistance of the Ni silicide layer formed on the P-type silicon layer. An excellent effect that it can be improved is obtained. Therefore, even when a high-temperature process is required in a subsequent process after forming the Ni silicide layer, it is possible to prevent the heat resistance of the semiconductor device from deteriorating.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の一例としてのMOSトランジスタの断面構成を示している。図1に示すように、シリコン基板1にはMOSトランジスタ同士を電気的に分離する分離絶縁膜2が設けられている。シリコン基板1における分離絶縁膜2に囲まれたトランジスタ形成領域の上には、ゲート絶縁膜3を介して、例えばポリシリコン膜からなるゲート電極4が形成されている。シリコン基板1におけるゲート電極4の両側にはLDD層5が形成されている。ゲート電極4の両側面にはサイドウォール絶縁膜6が形成されている。シリコン基板1におけるゲート電極4から見てサイドウォール絶縁膜6の外側にはソース・ドレイン拡散層7が形成されている。ゲート電極4及びソース・ドレイン拡散層7のそれぞれの上部にはNiシリサイド層10が形成されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a MOS transistor as an example of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the silicon substrate 1 is provided with an isolation insulating film 2 that electrically isolates the MOS transistors. On the transistor formation region surrounded by the isolation insulating film 2 in the silicon substrate 1, a gate electrode 4 made of, for example, a polysilicon film is formed via a gate insulating film 3. LDD layers 5 are formed on both sides of the gate electrode 4 in the silicon substrate 1. Sidewall insulating films 6 are formed on both side surfaces of the gate electrode 4. A source / drain diffusion layer 7 is formed outside the sidewall insulating film 6 when viewed from the gate electrode 4 in the silicon substrate 1. A Ni silicide layer 10 is formed on each of the gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7.

本実施形態の特徴は、Niシリサイド層10に、 III族元素であるアルミニウムが添加されていることである。   The feature of this embodiment is that aluminum which is a group III element is added to the Ni silicide layer 10.

一般的に、LSIを形成する場合にはCMOS構造を用いるため、MOSトランジスタとしてN型MOSトランジスタ及びP型MOSトランジスタの両方を形成する。本実施形態においても、図1は、当該CMOS構造の一部であるN型MOSトランジスタの断面構造を示したものである。すなわち、ゲート電極4は例えばリン(P)又はヒ素(As)等のV族元素が不純物として導入された高濃度N型(N+ 型)ポリシリコン膜からなり、ソース・ドレイン拡散層7は例えばP又はAs等のV族元素が不純物としてシリコン基板1に導入されてなる高濃度N型(N+ 型)シリコン層からなる。 In general, when an LSI is formed, since a CMOS structure is used, both an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor are formed as MOS transistors. Also in this embodiment, FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an N-type MOS transistor which is a part of the CMOS structure. That is, the gate electrode 4 is made of a high-concentration N-type (N + -type) polysilicon film into which a group V element such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced as an impurity. It consists of a high-concentration N-type (N + -type) silicon layer formed by introducing a group V element such as P or As as an impurity into the silicon substrate 1.

図2は、図1に示す半導体装置におけるAl含有Niシリサイド層10、ソース・ドレイン拡散層7及びシリコン基板1を、図1の矢印方向(AからA’へ向かう方向)にオージェ(AES:Auges electron spectroscopy )分析し、それにより得られた各元素のプロファイルを示している。尚、図2の横軸は表面はく離のためのスパッタリングの経過時間を示し、縦軸はオージェ電子のエネルギー強度を示している。ここで、Al含有Niシリサイド層10は、厚さ1.2nmのAl膜及び厚さ11nmのNi膜を順次堆積して熱処理を行うことにより得られたものである。また、図2に示す結果は、Al含有Niシリサイド層10の形成後に後工程で650℃の熱処理を実施することにより得られたものである。   2 shows the Al-containing Ni silicide layer 10, the source / drain diffusion layer 7, and the silicon substrate 1 in the semiconductor device shown in FIG. 1 in an arrow direction (a direction from A to A ′) in FIG. Electron spectroscopy) shows the profile of each element obtained by analysis. Note that the horizontal axis of FIG. 2 represents the elapsed time of sputtering for surface peeling, and the vertical axis represents the energy intensity of Auger electrons. Here, the Al-containing Ni silicide layer 10 is obtained by sequentially depositing an Al film having a thickness of 1.2 nm and an Ni film having a thickness of 11 nm and performing heat treatment. The results shown in FIG. 2 were obtained by performing a heat treatment at 650 ° C. in a later step after the formation of the Al-containing Ni silicide layer 10.

図2に示すように、後工程の650℃の熱処理を実施した後においては、Niシリサイド層10に含まれるアルミニウムは、主としてNiシリサイド層10の最表面部に分布している。   As shown in FIG. 2, after the heat treatment at 650 ° C., which is a subsequent process, is performed, the aluminum contained in the Ni silicide layer 10 is distributed mainly on the outermost surface portion of the Ni silicide layer 10.

すなわち、本実施形態のNiシリサイド層10は、ソース・ドレイン拡散層7上に最初に厚さ1.2nmのAl膜を堆積した後、厚さ11nmのNi膜を堆積し、その後、熱処理を行うことによってシリサイド化されたものであるにも関わらず、最表面部にAlが再分布する(含有される)という特徴を有する。   That is, in the Ni silicide layer 10 of the present embodiment, an Al film having a thickness of 1.2 nm is first deposited on the source / drain diffusion layer 7, an Ni film having a thickness of 11 nm is deposited, and then heat treatment is performed. In spite of being silicidized by this, Al is redistributed (contained) in the outermost surface portion.

図3は、上記本実施形態のAl含有Niシリサイド層におけるシート抵抗の熱処理温度依存性を、N+ 型シリコン層(図中ではN+ 基板)及びp+ 型シリコン層(図中ではP+ 基板)のそれぞれの上に形成された、Alを含有しない純粋なNiシリサイド層と比較して示した図である。ここで、純粋なNiシリサイド層は、シリコン基板上に厚さ12nmのNi膜を堆積した後、熱処理を行うことによってシリサイド化されたものである。 FIG. 3 shows the heat treatment temperature dependence of the sheet resistance in the Al-containing Ni silicide layer of the present embodiment, with the N + type silicon layer (N + substrate in the figure) and the p + type silicon layer (P + substrate in the figure). 2) are shown in comparison with pure Ni silicide layers that do not contain Al. Here, a pure Ni silicide layer is silicided by depositing a 12 nm thick Ni film on a silicon substrate and then performing a heat treatment.

図3に示すように、第1の従来例であるp+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中■)が700℃を超えてから上昇するのに対して、第2の従来例であるN+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中▲)は、それよりも約100℃低い625℃程度から上昇する。すなわち、第2の従来例であるN+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性は、第1の従来例であるp+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性よりも悪い。それに対して、本実施形態のAl含有Niシリサイド層(N+ 基板上のAl含有Niシリサイド層)のシート抵抗(図中●)は、第1の従来例であるp+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中■)とほほ同様の傾向を示しており、本実施形態のAl含有Niシリサイド層の耐熱性が、p+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性と同程度まで向上していることが分かる。 As shown in FIG. 3, the sheet resistance (■ in the figure) of the Ni silicide layer on the p + substrate in the first conventional example increases after exceeding 700 ° C., whereas in the second conventional example, The sheet resistance (▲ in the figure) of the Ni silicide layer on a certain N + substrate increases from about 625 ° C., which is about 100 ° C. lower than that. That is, the heat resistance of the Ni silicide layer on the N + substrate according to the second conventional example is worse than the heat resistance of the Ni silicide layer on the p + substrate according to the first conventional example. On the other hand, the sheet resistance (● in the figure) of the Al-containing Ni silicide layer (Al-containing Ni silicide layer on the N + substrate) of this embodiment is the Ni silicide layer on the p + substrate according to the first conventional example. The resistance of the Al-containing Ni silicide layer of this embodiment is improved to the same level as that of the Ni silicide layer on the p + substrate. I understand that.

本願発明者らは、Al膜をNi膜とシリコン層との間に挿入することによって、熱処理に起因するNiのシリコン中への拡散が防止されてNiシリサイドへの相変化やNiシリサイドの凝集が遅れることが、本実施形態のAl含有Niシリサイド層の耐熱性が向上する理由であると推測している。また、本願発明者らは、本実施形態のAl含有Niシリサイド層に対して600℃から725℃までの範囲の熱処理を加えた場合には、前述のように、Alが最終的にNiシリサイド層の最表面部に分布することを確認している。   By inserting the Al film between the Ni film and the silicon layer, the inventors of the present application prevent the diffusion of Ni into the silicon due to the heat treatment, thereby causing phase change to Ni silicide and aggregation of Ni silicide. The delay is presumed to be the reason why the heat resistance of the Al-containing Ni silicide layer of this embodiment is improved. In addition, when the present inventors applied a heat treatment in the range of 600 ° C. to 725 ° C. to the Al-containing Ni silicide layer of the present embodiment, as described above, Al finally becomes the Ni silicide layer. It has been confirmed that it is distributed on the outermost surface part of.

以上に説明したように、本実施形態によると、N型シリコン層上のNiシリサイド層に、 III族元素であるAlを含有させることによって、N型シリコン層上のNiシリサイド層の耐熱性(具体的にはシリサイド形成後の後工程での(プロセス上の)耐熱性:以下同じ)、つまりN型MOSトランジスタの耐熱性を、P型シリコン層上のNiシリサイド層の耐熱性つまりP型MOSトランジスタの耐熱性と同程度まで改善させることができるという優れた効果が得られる。従って、Niシリサイド層形成後の後工程で高温プロセスが必要となる場合においても、例えばCMOS構造を使用したLSI等の半導体装置の耐熱性の劣化を防止することができる。   As described above, according to this embodiment, the Ni silicide layer on the N-type silicon layer contains Al, which is a group III element, so that the heat resistance of the Ni silicide layer on the N-type silicon layer (specifically, Specifically, the heat resistance of the post-silicide formation process (on the process) (hereinafter the same), that is, the heat resistance of the N-type MOS transistor, the heat resistance of the Ni silicide layer on the P-type silicon layer, that is, the P-type MOS transistor The excellent effect that it can be improved to the same level as the heat resistance of the is obtained. Therefore, even when a high-temperature process is required in a subsequent process after forming the Ni silicide layer, it is possible to prevent deterioration of heat resistance of a semiconductor device such as an LSI using a CMOS structure.

尚、本実施形態において、N型シリコン層上のNiシリサイド層に III族元素としてアルミニウムを含有させたが、これに代えて、ボロン(B)及びIn(インジューム)を除く他の III族元素、例えばガリウム(Ga)又はタリウム(Tl)等を含有させてもよい。もちろん、B及びInを除く III族元素を2種類以上含有させてもよい。また、B及びInを除く III族元素が少なくとも1種類含有されていれば、当該元素と共にB及びInの少なくとも一方が合わせて含有されていてもよい。   In this embodiment, the Ni silicide layer on the N-type silicon layer contains aluminum as a group III element. Instead, other group III elements other than boron (B) and In (indium) are used. For example, gallium (Ga) or thallium (Tl) may be contained. Of course, two or more group III elements other than B and In may be contained. In addition, as long as at least one group III element excluding B and In is contained, at least one of B and In may be contained together with the element.

また、本実施形態においてCMOS構造を採用する場合、P型MOSトランジスタに含まれるNiシリサイド層(P型シリコン層上のNiシリサイド層)については、Al等の III族元素を含有させてもよいし、又は含有させなくてもよい。   Further, when the CMOS structure is adopted in the present embodiment, the Ni silicide layer (Ni silicide layer on the P-type silicon layer) included in the P-type MOS transistor may contain a group III element such as Al. Or may not be included.

また、本実施形態において、600℃から725℃までの範囲の熱処理を実施した後ではAlがNiシリサイド層の最表面部に分布することを説明したが、その他の温度範囲の熱処理の実施後においては、AlがNiシリサイド層におけるシリコン層との界面近傍にも分布する場合がある。さらに、微視的に見た場合、Niシリサイド層にAl等の III族元素を含有させると、当該元素は、Niシリサイド層のグレインバウンダリ(結晶粒界)にも分布する。本願発明者らは、これによってNiシリサイド層の凝集が抑制され、その結果、シート抵抗の熱処理温度依存性が改善されると推測している。   Further, in the present embodiment, it has been described that Al is distributed on the outermost surface portion of the Ni silicide layer after the heat treatment in the range from 600 ° C. to 725 ° C. However, after the heat treatment in the other temperature range, In some cases, Al is also distributed in the vicinity of the interface between the Ni silicide layer and the silicon layer. Further, when viewed microscopically, when a group III element such as Al is contained in the Ni silicide layer, the element is also distributed in the grain boundary (crystal grain boundary) of the Ni silicide layer. The inventors of the present application speculate that the aggregation of the Ni silicide layer is thereby suppressed, and as a result, the heat treatment temperature dependency of the sheet resistance is improved.

また、本実施形態において、ソース・ドレイン領域及びゲート電極となるシリコン層上にNiシリサイド層を形成したが、Niシリサイドの形成が可能であれば、シリコン層に代えて、例えばシリコンゲルマニウム層等のシリコン含有層をNiシリサイド層の下地として用いてもよい。また、ソース・ドレイン領域及びゲート電極のいずれか一方の上のみにNiシリサイド層を形成してもよい。   In this embodiment, the Ni silicide layer is formed on the silicon layer to be the source / drain regions and the gate electrode. However, if Ni silicide can be formed, instead of the silicon layer, for example, a silicon germanium layer or the like is used. A silicon-containing layer may be used as a base for the Ni silicide layer. Further, a Ni silicide layer may be formed only on one of the source / drain regions and the gate electrode.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には、第1の実施形態に係る半導体装置の一例であるMOSトランジスタの形成方法について、図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, specifically, a method for forming a MOS transistor as an example of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. .

図4(a)〜図4(h)は第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。尚、図4(a)〜図4(h)はそれぞれ、N型MOSトランジスタ及びP型MOSトランジスタの両方を有するCMOS構造のうちのN型MOSトランジスタの断面構造を示している。   FIG. 4A to FIG. 4H are cross-sectional views showing respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment. 4A to 4H show cross-sectional structures of the N-type MOS transistor in the CMOS structure having both the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor, respectively.

まず、図4(a)に示すように、シリコン基板1上に、MOSトランジスタ同士を電気的に分離する分離絶縁膜2を形成する。次に、図4(b)に示すように、シリコン基板1における分離絶縁膜2に囲まれたトランジスタ形成領域の上に、ゲート絶縁膜3及び例えばポリシリコン膜を順次堆積した後、当該ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極4を形成する。   First, as shown in FIG. 4A, an isolation insulating film 2 that electrically isolates MOS transistors is formed on a silicon substrate 1. Next, as shown in FIG. 4B, a gate insulating film 3 and, for example, a polysilicon film are sequentially deposited on the transistor formation region surrounded by the isolation insulating film 2 in the silicon substrate 1, and then the polysilicon is formed. The film is patterned to form the gate electrode 4.

次に、図4(c)に示すように、ゲート電極4をマスクとしてイオン注入を行うことにより、シリコン基板1におけるゲート電極4の両側にLDD層5を形成する。ここで、LDD層5に代えて、エクステンション(Extention )拡散層を形成してもよい。続いて、ゲート電極4上を含むシリコン基板1上に絶縁膜を堆積し、その後、当該絶縁膜に対してドライエッチングを行うことにより、ゲート電極4の両側面にサイドウォール絶縁膜6を形成する。   Next, as shown in FIG. 4C, LDD layers 5 are formed on both sides of the gate electrode 4 in the silicon substrate 1 by performing ion implantation using the gate electrode 4 as a mask. Here, instead of the LDD layer 5, an extension diffusion layer may be formed. Subsequently, an insulating film is deposited on the silicon substrate 1 including the gate electrode 4, and then the insulating film is dry-etched to form sidewall insulating films 6 on both side surfaces of the gate electrode 4. .

次に、図4(d)に示すように、ゲート電極4及びサイドウォール絶縁膜6をマスクとしてイオン注入を行うことにより、シリコン基板1におけるゲート電極4から見てサイドウォール絶縁膜6の外側にソース・ドレイン拡散層7を形成する。ここで、ソース・ドレイン拡散層7を形成するために注入した元素は例えばAsであり、注入条件については、エネルギーが例えば30keV、ドーズ量が例えば4×1015cm-2である。これは、濃度に換算すると、5×1020cm-3であり、一般的に、1×1020cm-3以上の濃度を高濃度としている。すなわち、ソース・ドレイン拡散層7は高濃度N型(N+ 型)の拡散層である。また、上記イオン注入により、ゲート電極4を構成するポリシリコン膜もN+ 型となる。 Next, as shown in FIG. 4D, ion implantation is performed using the gate electrode 4 and the side wall insulating film 6 as a mask, so that the gate electrode 4 on the silicon substrate 1 is outside the side wall insulating film 6 as viewed from the gate electrode 4. A source / drain diffusion layer 7 is formed. Here, the element implanted to form the source / drain diffusion layer 7 is, for example, As. Regarding the implantation conditions, the energy is, for example, 30 keV, and the dose is, for example, 4 × 10 15 cm −2 . This is 5 × 10 20 cm −3 in terms of concentration, and generally a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or higher is set as a high concentration. That is, the source / drain diffusion layer 7 is a high concentration N type (N + type) diffusion layer. Also, the polysilicon film constituting the gate electrode 4 becomes N + type by the ion implantation.

次に、ゲート電極4及びソース・ドレイン拡散層7のそれぞれのシリコン露出表面に対して、例えば希釈フッ酸を用いて清浄化処理を行った後、図4(e)に示すように、ゲート電極4の上を含むシリコン基板1の上に、例えばスパッタリング装置を用いて厚さ1.2nm程度のAl膜8を堆積する。続いて、図4(f)に示すように、Al膜8の上に厚さ11nm程度のNi膜9を堆積する。   Next, the silicon exposed surfaces of the gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7 are cleaned using, for example, diluted hydrofluoric acid, and then the gate electrode 4 as shown in FIG. An Al film 8 having a thickness of about 1.2 nm is deposited on the silicon substrate 1 including the top 4 using a sputtering apparatus, for example. Subsequently, as shown in FIG. 4F, a Ni film 9 having a thickness of about 11 nm is deposited on the Al film 8.

次に、Al膜8及びNi膜9に対して、例えばRTP(rapid thermal processing)装置を用いて、約300℃から約500℃までの温度範囲でアニールを行う。これにより、Ni膜9がAl膜8を挟んでシリコン層(つまりゲート電極4及びソース・ドレイン拡散層7)と接触している箇所でシリサイド化反応が生じ、図4(g)に示すように、Al含有Niシリサイド層10が形成される。このとき、分離絶縁膜2上及びサイドウォール絶縁膜6上には、シリサイド化されていない未反応のAl膜8及びNi膜9が金属状態のまま残存する。そこで、その後、例えば選択ウェットエッチングを用いて、分離絶縁膜2上及びサイドウォール絶縁膜6上の上記未反応金属を除去する。   Next, the Al film 8 and the Ni film 9 are annealed in a temperature range from about 300 ° C. to about 500 ° C. using, for example, an RTP (rapid thermal processing) apparatus. As a result, a silicidation reaction occurs at a location where the Ni film 9 is in contact with the silicon layer (that is, the gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7) with the Al film 8 interposed therebetween, as shown in FIG. Then, an Al-containing Ni silicide layer 10 is formed. At this time, the unreacted Al film 8 and Ni film 9 that are not silicided remain in the metal state on the isolation insulating film 2 and the sidewall insulating film 6. Therefore, thereafter, the unreacted metal on the isolation insulating film 2 and the sidewall insulating film 6 is removed by using, for example, selective wet etching.

ところで、本実施形態においては、前述の図4(a)〜図4(h)に示す工程によってMOSトランジスタの形成が一応完了し、その後の後工程で熱処理として例えば400℃程度以下の低温熱処理のみを用いてLSIを完成させることができる場合もある。しかしながら、製造プロセスによっては、その後の後工程で高温熱処理を用いてLSIを完成させなければならない場合もあり、後工程でのNiシリサイド層10の耐熱性向上が望まれる。   By the way, in the present embodiment, the formation of the MOS transistor is temporarily completed by the steps shown in FIGS. 4A to 4H, and only low-temperature heat treatment of, for example, about 400 ° C. or less is performed as the heat treatment in the subsequent steps. In some cases, an LSI can be completed using However, depending on the manufacturing process, it may be necessary to complete the LSI using a high-temperature heat treatment in the subsequent process, and it is desired to improve the heat resistance of the Ni silicide layer 10 in the subsequent process.

図2は、前述の図4(a)〜図4(h)に示す製造方法により形成された図1に示す半導体装置におけるAl含有Niシリサイド層10、ソース・ドレイン拡散層7及びシリコン基板1を、図1の矢印方向(AからA’へ向かう方向)にオージェ分析し、それにより得られた各元素のプロファイルを示している。尚、図2の横軸は表面はく離のためのスパッタリングの経過時間を示し、縦軸はオージェ電子のエネルギー強度を示している。また、図2に示す結果は、Al含有Niシリサイド層10の形成後に後工程で650℃の熱処理を実施することにより得られたものである。   2 shows the Al-containing Ni silicide layer 10, the source / drain diffusion layer 7 and the silicon substrate 1 in the semiconductor device shown in FIG. 1 formed by the manufacturing method shown in FIGS. 4 (a) to 4 (h). FIG. 1 shows the profile of each element obtained by Auger analysis in the direction of the arrow in FIG. 1 (direction from A to A ′). Note that the horizontal axis of FIG. 2 represents the elapsed time of sputtering for surface peeling, and the vertical axis represents the energy intensity of Auger electrons. The results shown in FIG. 2 were obtained by performing a heat treatment at 650 ° C. in a later step after the formation of the Al-containing Ni silicide layer 10.

図2に示すように、後工程で650℃の熱処理を実施した後においては、Niシリサイド層10に含まれるアルミニウムは、主としてNiシリサイド層10の最表面部に分布する。   As shown in FIG. 2, after the heat treatment at 650 ° C. is performed in the subsequent process, the aluminum contained in the Ni silicide layer 10 is distributed mainly on the outermost surface portion of the Ni silicide layer 10.

図5は、上記本実施形態のAl含有Niシリサイド層におけるシート抵抗の熱処理温度依存性(耐熱性)を、N+ 型シリコン層(図中ではN+ 基板)及びp+ 型シリコン層(図中ではP+ 基板)のそれぞれの上に形成された、Alを含有しない純粋なNiシリサイド層と比較して示した図である。尚、図5においては、本実施形態のAl含有Niシリサイド層として、N+ 基板とNi膜との間に厚さ0.3nm、0.6nm、1.2nm及び2.4nmのAl膜をそれぞれ堆積して得られたAl含有Niシリサイド層の耐熱性を示している(上記図4(e)に示す工程ではAl膜の厚さを1.2nmに設定している)。ここで、Ni膜の厚さについては、Ni膜とAl膜との合計厚さが約12nmになるように調整している。但し、Al膜の厚さが0.3nm又は0.6nmと薄い場合にはNi膜の厚さを12nmに設定した。 FIG. 5 shows the heat treatment temperature dependency (heat resistance) of the sheet resistance in the Al-containing Ni silicide layer of the present embodiment, which is represented by an N + type silicon layer (N + substrate in the figure) and a p + type silicon layer (in the figure). FIG. 2 is a diagram showing comparison with a pure Ni silicide layer not containing Al formed on each of the P + substrates. In FIG. 5, as the Al-containing Ni silicide layer of the present embodiment, Al films having thicknesses of 0.3 nm, 0.6 nm, 1.2 nm, and 2.4 nm are respectively provided between the N + substrate and the Ni film. The heat resistance of the Al-containing Ni silicide layer obtained by the deposition is shown (the thickness of the Al film is set to 1.2 nm in the step shown in FIG. 4E). Here, the thickness of the Ni film is adjusted so that the total thickness of the Ni film and the Al film is about 12 nm. However, when the thickness of the Al film was as thin as 0.3 nm or 0.6 nm, the thickness of the Ni film was set to 12 nm.

図5に示すように、第1の従来例であるp+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中■)が700℃を超えてから上昇するのに対して、第2の従来例であるN+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中▲)は、それよりも約100℃低い625℃程度から上昇する。すなわち、第2の従来例であるN+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性は、第1の従来例であるp+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性よりも悪い。 As shown in FIG. 5, the sheet resistance (■ in the figure) of the Ni silicide layer on the p + substrate in the first conventional example rises after exceeding 700 ° C., whereas in the second conventional example, The sheet resistance (▲ in the figure) of the Ni silicide layer on a certain N + substrate increases from about 625 ° C., which is about 100 ° C. lower than that. That is, the heat resistance of the Ni silicide layer on the N + substrate according to the second conventional example is worse than the heat resistance of the Ni silicide layer on the p + substrate according to the first conventional example.

それに対して、図5に示すように、本実施形態のAl含有Niシリサイド層(N+ 基板上のAl含有Niシリサイド層)のシート抵抗(図中●)は、第2の従来例であるN+ 基板上のNiシリサイド層のシート抵抗(図中▲)よりも低く抑制されている。すなわち、本実施形態のAl含有Niシリサイド層の耐熱性は、p+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性に大きく近づいている。 On the other hand, as shown in FIG. 5, the sheet resistance (● in the figure) of the Al-containing Ni silicide layer (Al + Ni silicide layer on the N + substrate) of this embodiment is the second conventional example N + The sheet resistance of the Ni silicide layer on the substrate is suppressed to be lower than (▲ in the figure). That is, the heat resistance of the Al-containing Ni silicide layer of this embodiment is very close to the heat resistance of the Ni silicide layer on the p + substrate.

また、図5に示す結果からも分かるように、N+ 基板とNi膜との間に挿入するAl膜の厚さを増大させるに従って、本実施形態のAl含有Niシリサイド層の耐熱性が向上し、p+ 基板上のNiシリサイド層の耐熱性により近くなる。しかしながら、Al膜の厚さが2.4nmの場合には、600℃付近でのシート抵抗が12Ω/□程度となり、他のAl膜の厚さの場合のシート抵抗が7Ω/□程度であるのと比較して高くなっている。すなわち、Al膜の厚さを2.5nm程度よりも大きくすると、正常なNiシリサイド層が形成されなくなる可能性がある。 Further, as can be seen from the results shown in FIG. 5, the heat resistance of the Al-containing Ni silicide layer of this embodiment is improved as the thickness of the Al film inserted between the N + substrate and the Ni film is increased. , Closer to the heat resistance of the Ni silicide layer on the p + substrate. However, when the thickness of the Al film is 2.4 nm, the sheet resistance at around 600 ° C. is about 12 Ω / □, and the sheet resistance is about 7 Ω / □ for other Al film thicknesses. It is higher than That is, if the thickness of the Al film is larger than about 2.5 nm, a normal Ni silicide layer may not be formed.

以上のことから、本実施形態のAl含有Niシリサイド層による耐熱性向上効果を確実に得るためには、Ni膜の膜厚に対するAl膜の膜厚の比率を2.5%程度(例えばNi膜=12nm、Al膜=0.3nm)以上で且つ25%程度(例えばNi膜=10nm、Al膜=2.5nm)以下に設定することが好ましい。   From the above, in order to reliably obtain the heat resistance improvement effect by the Al-containing Ni silicide layer of the present embodiment, the ratio of the Al film thickness to the Ni film thickness is about 2.5% (for example, Ni film) = 12 nm, Al film = 0.3 nm) or more and preferably about 25% (for example, Ni film = 10 nm, Al film = 2.5 nm) or less.

以上に説明したように、本実施形態によると、N型シリコン層上のNiシリサイド層に、 III族元素であるAlを含有させることによって、N型シリコン層上のNiシリサイド層の耐熱性(具体的にはシリサイド形成後の後工程での(プロセス上の)耐熱性:以下同じ)、つまりN型MOSトランジスタの耐熱性を、P型シリコン層上のNiシリサイド層の耐熱性つまりP型MOSトランジスタの耐熱性と同程度まで改善させることができるという優れた効果が得られる。従って、Niシリサイド層形成後の後工程で高温プロセスが必要となる場合においても、例えばCMOS構造を使用したLSI等の半導体装置の耐熱性の劣化を防止することができる。   As described above, according to this embodiment, the Ni silicide layer on the N-type silicon layer contains Al, which is a group III element, so that the heat resistance of the Ni silicide layer on the N-type silicon layer (specifically, Specifically, the heat resistance of the post-silicide formation process (on the process) (hereinafter the same), that is, the heat resistance of the N-type MOS transistor, the heat resistance of the Ni silicide layer on the P-type silicon layer, that is, the P-type MOS transistor The excellent effect that it can be improved to the same level as the heat resistance of the is obtained. Therefore, even when a high-temperature process is required in a subsequent process after forming the Ni silicide layer, it is possible to prevent deterioration of heat resistance of a semiconductor device such as an LSI using a CMOS structure.

尚、本実施形態において、N型シリコン層上のNiシリサイド層に III族元素としてアルミニウムを含有させたが、これに代えて、ボロン(B)及びIn(インジューム)を除く他の III族元素、例えばガリウム(Ga)又はタリウム(Tl)等を含有させてもよい。もちろん、B及びInを除く III族元素を2種類以上含有させてもよい。また、B及びInを除く III族元素が少なくとも1種類含有されていれば、当該元素と共にB及びInの少なくとも一方が合わせて含有されていてもよい。   In this embodiment, the Ni silicide layer on the N-type silicon layer contains aluminum as a group III element. Instead, other group III elements other than boron (B) and In (indium) are used. For example, gallium (Ga) or thallium (Tl) may be contained. Of course, two or more group III elements other than B and In may be contained. In addition, as long as at least one group III element excluding B and In is contained, at least one of B and In may be contained together with the element.

すなわち、本実施形態において、ソース・ドレイン領域及びゲート電極となるシリコン層と、シリサイド形成用のNi膜との間にAl膜を挿入したが、これに代えて、例えばAlとGa又はTl等との合金膜等の III族元素含有膜を挿入してもよい。また、シリサイド層の下地として、シリコン層に代えて、例えばシリコンゲルマニウム層等のシリコン含有層を用いてもよい。さらに、シリサイド形成用の金属膜として、Ni膜に代えて、例えばHf、Zr、Pt、Ta又はV等とNiとの合金膜を用いてもよい。   That is, in the present embodiment, an Al film is inserted between the silicon layer serving as the source / drain regions and the gate electrode and the Ni film for forming the silicide, but instead of this, for example, Al and Ga or Tl A group III element-containing film such as an alloy film may be inserted. Moreover, instead of the silicon layer, a silicon-containing layer such as a silicon germanium layer may be used as the base of the silicide layer. Further, instead of the Ni film, for example, an alloy film of Hf, Zr, Pt, Ta, V, or the like and Ni may be used as the metal film for forming the silicide.

また、本実施形態において、ソース・ドレイン領域及びゲート電極となるシリコン層上にNiシリサイド層を形成したが、これに代えて、ソース・ドレイン領域及びゲート電極のいずれか一方の上のみにNiシリサイド層を形成してもよい。   In this embodiment, the Ni silicide layer is formed on the silicon layer to be the source / drain region and the gate electrode. Instead, the Ni silicide layer is formed only on either the source / drain region or the gate electrode. A layer may be formed.

また、本実施形態においてCMOS構造を採用する場合、P型MOSトランジスタに含まれるNiシリサイド層(P型シリコン層上のNiシリサイド層)については、Al等の III族元素を含有させてもよいし、又は含有させなくてもよい。すなわち、P型MOSトランジスタ形成領域においては、ソース・ドレイン領域又はゲート電極となるシリコン層と、シリサイド形成用のNi膜との間に、Al膜等の III族元素含有膜を形成してもよいし、又は形成しなくてもよい。   Further, when the CMOS structure is adopted in the present embodiment, the Ni silicide layer (Ni silicide layer on the P-type silicon layer) included in the P-type MOS transistor may contain a group III element such as Al. Or may not be included. That is, in the P-type MOS transistor formation region, a group III element-containing film such as an Al film may be formed between the silicon layer that becomes the source / drain region or the gate electrode and the Ni film for forming the silicide. Or need not be formed.

本発明は、シリサイド層を有する半導体装置及びその製造方法として、非常に有用である。   The present invention is very useful as a semiconductor device having a silicide layer and a manufacturing method thereof.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す半導体装置におけるNiシリサイド層、ソース・ドレイン拡散層及びシリコン基板をAA’方向にオージェ分析した結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a result of Auger analysis of the Ni silicide layer, the source / drain diffusion layer, and the silicon substrate in the AA ′ direction in the semiconductor device shown in FIG. 1. 図3は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置による耐熱性向上効果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an effect of improving heat resistance by the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing each step of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法による耐熱性向上効果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an effect of improving heat resistance by the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図6は従来の半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device. 図7は従来の半導体装置の耐熱性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the heat resistance of a conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 分離絶縁膜
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 LDD層
6 サイドウォール絶縁膜
7 ソース・ドレイン拡散層
8 Al膜
9 Ni膜
10 Al含有Niシリサイド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Isolation insulating film 3 Gate insulating film 4 Gate electrode 5 LDD layer 6 Side wall insulating film 7 Source / drain diffused layer 8 Al film 9 Ni film 10 Al content Ni silicide layer

Claims (8)

半導体基板上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板における前記ゲート電極の両側に形成されたソース・ドレイン領域とを有するトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート電極及び前記ソース・ドレイン領域との少なくとも一方は、V族元素が不純物として導入されたN型シリコン含有層であり、
前記シリコン含有層の上部に、アルミニウム、ガリウム又はタリウムの少なくとも1つである III族元素を含有するニッケルシリサイド層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a transistor having a gate electrode formed on a semiconductor substrate and source / drain regions formed on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate,
At least one of the gate electrode and the source / drain region is an N-type silicon-containing layer into which a group V element is introduced as an impurity,
A nickel silicide layer containing a group III element which is at least one of aluminum, gallium or thallium is formed on the silicon-containing layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記 III族元素はアルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device characterized in that the group III element is aluminum.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記ニッケルシリサイド層中のアルミニウムは、主として前記ニッケルシリサイド層の表面部に分布することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
Aluminum in the nickel silicide layer is distributed mainly on a surface portion of the nickel silicide layer.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記ニッケルシリサイド層中のアルミニウムは、前記ニッケルシリサイド層における前記シリコン含有層との界面近傍にも分布することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The aluminum in the nickel silicide layer is also distributed in the vicinity of the interface between the nickel silicide layer and the silicon-containing layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記ニッケルシリサイド層中の III族元素は、前記ニッケルシリサイド層のグレインバウンダリにも分布することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A group III element in the nickel silicide layer is also distributed in the grain boundary of the nickel silicide layer.
半導体基板上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板における前記ゲート電極の両側に形成されたソース・ドレイン領域とを有するトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記ゲート電極及び前記ソース・ドレイン領域との少なくとも一方は、V族元素が不純物として導入されたN型シリコン含有層であり、
前記シリコン含有層の上に、アルミニウム、ガリウム又はタリウムの少なくとも1つである III族元素を含有する第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜の上に、ニッケルを含有する第2の膜を形成する工程と、
前記第1の膜及び前記第2の膜に対して熱処理を実施し、それによって、前記シリコン含有層の上部に、前記 III族元素を含有するニッケルシリサイド層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a transistor having a gate electrode formed on a semiconductor substrate and source / drain regions formed on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate,
At least one of the gate electrode and the source / drain region is an N-type silicon-containing layer into which a group V element is introduced as an impurity,
Forming a first film containing a group III element that is at least one of aluminum, gallium, or thallium on the silicon-containing layer;
Forming a second film containing nickel on the first film;
Performing a heat treatment on the first film and the second film, thereby forming a nickel silicide layer containing the group III element on the silicon-containing layer. A method of manufacturing a semiconductor device.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の膜はアルミニウム膜であり、
前記第2の膜はニッケル膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 6,
The first film is an aluminum film;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second film is a nickel film.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ニッケル膜の膜厚に対する前記アルミニウム膜の膜厚の比率は2.5%以上で且つ25%以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a ratio of a thickness of the aluminum film to a thickness of the nickel film is 2.5% or more and 25% or less.
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