JP2008060594A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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俊彦 飯沼
Kyoichi Suguro
恭一 須黒
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To actualize an excellent process stability even elements are fine sized, and to prevent the increase of resistance in a region formed a silicide. <P>SOLUTION: The method includes a step of forming a silicon region defined by an insulation film in a substrate main surface, a step of forming a silicon oxide film on the surface of the silicon region, a step of forming a mixed film including a first metal and a second metal on the substrate formed the silicon oxide film, a step of allowing the reduction of the silicon oxide film formed in the silicon region by the second metal by heat treatment, and a step of forming a silicide film only on the surface of the silicon region by allowing the reaction between the first metal and the silicon in the silicon region by heat treatment, wherein the first metal is Co, Ni, Pt or Pd, and the second metal is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta or Cr. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体装置の製造方法、特にゲート長の短い微細なMISトランジスタに関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a fine MIS transistor having a short gate length.

近年の素子の微細化に伴う寄生抵抗の増大に対応するために、MOSFETのポリシリコンゲート電極及びソース・ドレイン拡散層上に自己整合的に金属珪化物(以下、シリサイドという)を貼り付けるサリサイド(SALICIDE:Self ALIgned siliCIDE)プロセスが、広く用いられるようになってきている。   In order to cope with an increase in parasitic resistance due to the recent miniaturization of devices, a salicide (hereinafter referred to as silicide) in which metal silicide (hereinafter referred to as silicide) is bonded in a self-aligned manner on the polysilicon gate electrode and the source / drain diffusion layer of the MOSFET. SALICIDE: Self ALIgned siliCIDE) process is becoming widely used.

図3(a)〜(f)を用いて、従来広く用いられてきたチタニウムを用いたサリサイドプロセスの一例を説明する。   An example of a salicide process using titanium, which has been widely used in the past, will be described with reference to FIGS.

まず、シリコン基板101上に、素子分離用絶縁膜(シリコン酸化膜)領域102を形成後、MOSFETのゲート酸化膜103、多結晶シリコンゲート電極104、浅いソース・ドレイン拡散層105を形成し、さらにシリコン窒化膜を用いた側壁膜106をマスクとして深いソース・ドレイン拡散層107を形成する(図3(a))。   First, an isolation insulating film (silicon oxide film) region 102 is formed on a silicon substrate 101, a MOSFET gate oxide film 103, a polycrystalline silicon gate electrode 104, and a shallow source / drain diffusion layer 105 are formed. A deep source / drain diffusion layer 107 is formed using the sidewall film 106 using a silicon nitride film as a mask (FIG. 3A).

次に、希フッ酸処理又は希フッ酸処理後にRCA等の処理を行い、全面にチタニウム膜108及びチタニウム窒化膜109を堆積する(図3(b))。   Next, after the dilute hydrofluoric acid treatment or the dilute hydrofluoric acid treatment, a RCA treatment or the like is performed to deposit a titanium film 108 and a titanium nitride film 109 on the entire surface (FIG. 3B).

次に、ランプアニール装置等により650〜750℃程度の温度で短時間アニールを行い、露出しているシリコン基板101及び多結晶シリコン膜104とチタニウム膜108を反応させて、C49結晶構造のチタニウムダイシリサイド(TiSi2 )膜110を形成する。その後、硫酸と過酸化水素水の混合液のようなエッチング液を用いて、チタニウム窒化膜109や未反応のチタニウム膜108をエッチング除去する(図3(c))。 Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 650 to 750 ° C. using a lamp annealing apparatus or the like, and the exposed silicon substrate 101 and polycrystalline silicon film 104 are reacted with the titanium film 108 to form a titanium die having a C49 crystal structure. A silicide (TiSi 2 ) film 110 is formed. Thereafter, the titanium nitride film 109 and the unreacted titanium film 108 are removed by etching using an etching solution such as a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution (FIG. 3C).

次に、ランプアニール装置等により750〜900℃程度の温度で短時間アニールを行い、チタニウムダイシリサイド(TiSi2 )膜110をC54結晶構造を有する低抵抗のチタニウムダイシリサイド(TiSi2 )膜111に変化させる(図3(d))。 Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 750 to 900 ° C. using a lamp annealing apparatus or the like, and the titanium disilicide (TiSi 2 ) film 110 is changed to a low resistance titanium disilicide (TiSi 2 ) film 111 having a C54 crystal structure. It is changed (FIG. 3 (d)).

次に、全面に減圧CVD法及びプラズマCVD法によりシリコン酸化膜112及び113を堆積し、CMP工程等により平坦化を行う(図3(e))。   Next, silicon oxide films 112 and 113 are deposited on the entire surface by a low pressure CVD method and a plasma CVD method, and planarized by a CMP process or the like (FIG. 3E).

次に、シリコン酸化膜112及び113に対してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内部にタングステン等の金属114を埋め込む。その後、アルミニウム等の配線層115をソース・ドレイン拡散層及びゲート電極に接続する(図3(f))。   Next, contact holes are formed in the silicon oxide films 112 and 113, and a metal 114 such as tungsten is embedded in the contact holes. Thereafter, the wiring layer 115 such as aluminum is connected to the source / drain diffusion layer and the gate electrode (FIG. 3F).

このようなチタニウムを用いたサリサイドプロセスは、ソース・ドレイン拡散層やゲート多結晶シリコン領域の寄生抵抗を大幅に低減させる効果がある。しかしながら、素子の微細化が進みゲート長が0.2μm以下にまで小さくなると、TiSi2 膜の結晶構造が2回目のランプアニールによってもC54に変化しなくなるために抵抗が低下しなくなるといった、いわゆる細線効果が生じるために、半導体素子に適用するメリットが小さくなってくる。 Such a salicide process using titanium has the effect of greatly reducing the parasitic resistance of the source / drain diffusion layers and the gate polycrystalline silicon region. However, when the device is further miniaturized and the gate length is reduced to 0.2 μm or less, the crystal structure of the TiSi 2 film is not changed to C54 even by the second lamp annealing, so that the resistance does not decrease. Since the effect is generated, the merit applied to the semiconductor element is reduced.

そのため、近年ではチタニウムシリサイドよりも細線効果が起こりにくいコバルトシリサイド膜を用いたサリサイドプロセスが注目を集めている。   Therefore, in recent years, a salicide process using a cobalt silicide film, which is less likely to cause a fine line effect than titanium silicide, has attracted attention.

図4(a)〜(d)を用いて、コバルトを用いたサリサイドプロセスの一例を説明する。   An example of a salicide process using cobalt will be described with reference to FIGS.

図3(a)の状態のMOSFET素子に対して、希フッ酸処理によってシリコン基板101表面及び多結晶シリコン膜104表面の自然酸化膜を除去した後、全面にコバルト膜116及びチタニウム窒化膜109を堆積する(図4(a))。   After removing the native oxide film on the surface of the silicon substrate 101 and the surface of the polycrystalline silicon film 104 by dilute hydrofluoric acid treatment for the MOSFET element in the state of FIG. 3A, a cobalt film 116 and a titanium nitride film 109 are formed on the entire surface. Deposits (FIG. 4A).

次に、ランプアニール装置等により、450〜550℃程度の温度で短時間アニールを行い、露出しているシリコン基板101及び多結晶シリコン膜104とコバルト膜116を反応させてコバルトモノシリサイド(CoSi)膜117を形成する。続いて、硫酸と過酸化水素水の混合液のようなエッチング液を用いて、チタニウム窒化膜109及び未反応のコバルト膜116をエッチング除去する(図4(b))。   Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 450 to 550 ° C. using a lamp annealing apparatus or the like, and the exposed silicon substrate 101 and polycrystalline silicon film 104 are reacted with the cobalt film 116 to obtain cobalt monosilicide (CoSi). A film 117 is formed. Subsequently, the titanium nitride film 109 and the unreacted cobalt film 116 are removed by etching using an etching solution such as a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide (FIG. 4B).

次に、ランプアニール装置等により、700〜850℃程度の温度で短時間のアニールを行い、コバルトモノシリサイド(CoSi)膜117を低抵抗のコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜118に変化させる(図4(c))。 Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 700 to 850 ° C. by using a lamp annealing apparatus or the like to change the cobalt monosilicide (CoSi) film 117 into a low-resistance cobalt disilicide (CoSi 2 ) film 118 (FIG. 4 (c)).

次に、全面に減圧CVD法及びプラズマCVD法によりシリコン酸化膜112及び113を堆積し、CMP工程等により平坦化を行う。続いて、シリコン酸化膜112及び113に対してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内部にタングステン等の金属114を埋め込み、アルミニウム等の配線層115をソース・ドレイン拡散層及びゲート電極に接続する(図4(d))。   Next, silicon oxide films 112 and 113 are deposited on the entire surface by a low pressure CVD method and a plasma CVD method, and planarized by a CMP process or the like. Subsequently, a contact hole is formed in the silicon oxide films 112 and 113, a metal 114 such as tungsten is embedded in the contact hole, and a wiring layer 115 such as aluminum is connected to the source / drain diffusion layer and the gate electrode (see FIG. FIG. 4 (d)).

このようなコバルトシリサイド膜を用いたサリサイドプロセスでは、チタニウムシリサイド膜を用いたサリサイドプロセスに比べて細線効果が起こりにくいという利点はあるが、以下のような欠点も持つ。   Such a salicide process using a cobalt silicide film has the advantage that the thin line effect is less likely to occur than the salicide process using a titanium silicide film, but also has the following drawbacks.

すなわち、チタニウムに比べてコバルトはシリコン酸化膜を還元させる能力に乏しいため、コバルトを堆積する際にシリコン基板や多結晶シリコン膜表面にRCA処理後に生成されるような自然酸化膜が存在した場合には、シリサイド反応が阻害される。そのため、図4(b)のようなコバルトモノシリサイド(CoSi)膜117が全く形成されないことがある。また、希フッ酸を用いた前処理によって自然酸化膜を除去した状態でコバルト膜を堆積しようとした場合においても、前処理後の経過時間等の要因によって不均一な自然酸化膜ができると、図5に示すようにコバルトモノシリサイド(CoSi)膜117の成膜が不均一になるといった問題がある。また、希フッ酸系の処理のみを前処理として用いた場合には、露出したシリコン基板表面や多結晶シリコン膜表面、特に素子分離絶縁膜との界面付近にウォーターマーク又は水ガラスと呼ばれるシリコン系酸化膜が付着し、シリサイド化反応を阻害する場合もある。   That is, when cobalt is deposited, there is a natural oxide film generated after RCA treatment on the surface of the silicon substrate or the polycrystalline silicon film because cobalt has a poor ability to reduce the silicon oxide film compared to titanium. Hinders the silicide reaction. Therefore, the cobalt monosilicide (CoSi) film 117 as shown in FIG. 4B may not be formed at all. Also, even when trying to deposit a cobalt film in a state where the natural oxide film is removed by pretreatment using dilute hydrofluoric acid, if a non-uniform natural oxide film is formed due to factors such as the elapsed time after the pretreatment, As shown in FIG. 5, there is a problem that the deposition of the cobalt monosilicide (CoSi) film 117 becomes non-uniform. In addition, when only dilute hydrofluoric acid-based treatment is used as a pretreatment, a silicon-based material called a watermark or water glass is formed on the exposed silicon substrate surface or polycrystalline silicon film surface, particularly near the interface with the element isolation insulating film. In some cases, an oxide film adheres and inhibits the silicidation reaction.

さらに、コバルトシリサイド膜は耐熱性といった観点でもチタニウムシリサイド膜に対して劣っているため、サリサイドプロセス終了後の層間膜用のシリコン酸化膜の堆積時の熱によって、図6に示すようにコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜118が凝集を起こし、そのため抵抗の上昇を招くといった問題点も発生する。 Further, since the cobalt silicide film is inferior to the titanium silicide film from the viewpoint of heat resistance, the cobalt disilicide is formed by heat at the time of depositing the silicon oxide film for the interlayer film after the completion of the salicide process as shown in FIG. The (CoSi 2 ) film 118 agglomerates, which causes a problem of increasing the resistance.

一方、コバルトサリサイドプロセスでは、コンタクトプラグの低抵抗化を目的としたアモルファスシリコン−アルミニウム置換プロセスにおいて、様々な問題が発生する。   On the other hand, in the cobalt salicide process, various problems occur in the amorphous silicon-aluminum replacement process for reducing the resistance of the contact plug.

図7(a)〜(c)を用いて、この問題点を説明する。   This problem will be described with reference to FIGS.

図4(c)に示すコバルトシリサイド膜118を貼り付けた構造に対して、層間絶縁膜112及び113を堆積する。層間絶縁膜112及び113にコンタクトホールを形成した後、アモルファスシリコン膜119を堆積してエッチバックを行い、コンタクトホール内部にのみアモルファスシリコン膜119を残す。続いて、全面にアルミニウム膜120及びチタニウム膜121を堆積する(図7(a))。   Interlayer insulating films 112 and 113 are deposited on the structure in which the cobalt silicide film 118 shown in FIG. After forming contact holes in the interlayer insulating films 112 and 113, an amorphous silicon film 119 is deposited and etched back to leave the amorphous silicon film 119 only inside the contact holes. Subsequently, an aluminum film 120 and a titanium film 121 are deposited on the entire surface (FIG. 7A).

次に、600℃以下の熱工程によりアモルファスシリコン119、アルミニウム120及びチタニウム121を反応させて、コンタクトホール内部のアモルファスシリコン119をアルミニウム122と置換する。その後、CMP工程等により、コンタクトホール外部に残るアルミニウム120、チタニウム121及び置換反応によって吸い出されたシリコン119を研磨して、これらを除去する(図7(b))。   Next, the amorphous silicon 119, the aluminum 120, and the titanium 121 are reacted by a heat process of 600 ° C. or lower, so that the amorphous silicon 119 inside the contact hole is replaced with the aluminum 122. Thereafter, the aluminum 120 and titanium 121 remaining outside the contact hole and the silicon 119 sucked out by the substitution reaction are polished and removed by a CMP process or the like (FIG. 7B).

次に、全面にアルミニウム等の配線用金属124を堆積してパターニングを行うことにより、半導体素子部と配線層を接続する(図7(c))。   Next, a wiring metal 124 such as aluminum is deposited on the entire surface and patterned to connect the semiconductor element portion and the wiring layer (FIG. 7C).

このような工程によりコンタクト部分を形成する場合、アモルファスシリコンとアルミニウムの置換を行う熱工程においてコバルトシリサイド118に対してアルミニウムのスパイク123が入り込み、場合によっては拡散層にまで達することがある。このようなアルミニウムのスパイクが発生した場合には、接合特性の劣化の原因となる。   When the contact portion is formed by such a process, an aluminum spike 123 enters the cobalt silicide 118 in a thermal process for replacing amorphous silicon and aluminum, and in some cases, reaches the diffusion layer. When such an aluminum spike occurs, it causes deterioration of bonding characteristics.

このようなアルミニウムのスパイクの発生を予防するために、コンタクトホール内部に予め拡散バリアとして有効なチタニウム窒化膜を堆積しておくといった手法も用いられる。図8(a)〜(c)を用いて、このチタニウム窒化膜を予め堆積するプロセスについて説明する。   In order to prevent the occurrence of such aluminum spikes, a technique of previously depositing a titanium nitride film effective as a diffusion barrier inside the contact hole is also used. A process for depositing the titanium nitride film in advance will be described with reference to FIGS.

まず、図4(c)に示すコバルトシリサイド膜118を貼り付けた構造に対して、層間絶縁膜112及び113を堆積し、コンタクトホールを形成する。その後、チタニウム窒化膜125及びアモルファスシリコン膜119を順次堆積してエッチバックを行い、コンタクトホール内部にのみアモルファスシリコン膜119を残す。続いて、全面にアルミニウム膜120及びチタニウム膜121を堆積する(図8(a))。   First, interlayer insulating films 112 and 113 are deposited on the structure to which the cobalt silicide film 118 shown in FIG. 4C is attached, and contact holes are formed. Thereafter, a titanium nitride film 125 and an amorphous silicon film 119 are sequentially deposited and etched back to leave the amorphous silicon film 119 only inside the contact hole. Subsequently, an aluminum film 120 and a titanium film 121 are deposited on the entire surface (FIG. 8A).

次に、600℃以下の熱工程によりアモルファスシリコン119、アルミニウム120及びチタニウム121を反応させてコンタクトホール内部のアモルファスシリコン119をアルミニウム122に置換した後、CMP工程等によりコンタクトホール外部に残るアルミニウム120、チタニウム121、置換反応によって吸い出されたシリコン119及びチタニウム窒化膜125を除去する(図8(b))。   Next, the amorphous silicon 119, the aluminum 120, and the titanium 121 are reacted by a heat process of 600 ° C. or lower to replace the amorphous silicon 119 inside the contact hole with the aluminum 122, and then the aluminum 120 remaining outside the contact hole by a CMP process or the like. The titanium 121, the silicon 119 sucked out by the substitution reaction, and the titanium nitride film 125 are removed (FIG. 8B).

次に、全面にアルミニウム等の配線用金属124を堆積してパターニングを行うことにより、半導体素子部と配線層を接続する(図8(c))。   Next, a wiring metal 124 such as aluminum is deposited on the entire surface and patterned to connect the semiconductor element portion and the wiring layer (FIG. 8C).

このような工程を用いれば、シリサイド層やその下の拡散層に対してアルミニウムのスパイクが入り込むことはなくなるが、その反面、チタニウム窒化膜成膜工程の増加、アルミニウムと比較して高抵抗のチタニウム窒化膜によってコンタクトホールが狭められることによる抵抗の上昇といった問題点が生じる。   By using such a process, aluminum spikes do not enter the silicide layer and the diffusion layer below it, but on the other hand, the number of titanium nitride film formation processes is increased, and titanium having higher resistance than aluminum is formed. There is a problem that the resistance increases due to the contact hole being narrowed by the nitride film.

以上述べたように、従来、チタニウムを用いたサリサイドプロセスでは、ゲート長が0.2μm以下になると細線効果によって抵抗が十分に低下しなくなるという問題があった。また、コバルトを用いたサリサイドプロセスでは、自然酸化膜によってシリサイド反応が阻害されたり、層間膜堆積時の熱工程によってシリサイドが凝集するといった問題があった。さらに、コバルトを用いたサリサイドプロセスでは、コンタクトプラグの低抵抗化を目的としたアモルファスシリコン−アルミニウム置換プロセスにおいて、コバルトシリサイドにアルミニウムのスパイクが入り込むといった問題があった。このようなアルミニウムのスパイクの発生を予防するために、コンタクトホール内部に予め拡散バリアとしてチタニウム窒化膜等を堆積しておくことも考えられるが、チタニウム窒化膜形成工程の増加や、チタニウム窒化膜によってコンタクトホールが狭められることによる抵抗の上昇といった問題が生じる。   As described above, in the conventional salicide process using titanium, there is a problem that when the gate length is 0.2 μm or less, the resistance is not sufficiently lowered due to the thin line effect. Further, in the salicide process using cobalt, there are problems that the silicide reaction is hindered by the natural oxide film and that the silicide is aggregated by the thermal process during the deposition of the interlayer film. Further, the salicide process using cobalt has a problem that an aluminum spike enters the cobalt silicide in the amorphous silicon-aluminum replacement process for reducing the resistance of the contact plug. In order to prevent the occurrence of such aluminum spikes, it may be possible to deposit a titanium nitride film or the like as a diffusion barrier in advance in the contact hole. However, an increase in the number of titanium nitride film formation processes, There arises a problem of an increase in resistance due to the contact hole being narrowed.

本発明は上記従来の問題に対してなされたものであり、素子が微細化されても、シリサイドが形成された領域での抵抗増大を抑制でき、しかもプロセス安定性に優れた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and even if the element is miniaturized, a method of manufacturing a semiconductor device that can suppress an increase in resistance in a region where silicide is formed and has excellent process stability. The purpose is to provide.

本発明に係る半導体装置は、基板主表面側の絶縁膜によって区分されたシリコン領域表面にのみ第1の金属及びシリコンを主成分とするシリサイド膜が形成され、このシリサイド膜の表面又はこのシリサイド膜の表面及び結晶粒界に第2の金属及び窒素を主成分とする窒化物膜が形成されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, a silicide film mainly composed of the first metal and silicon is formed only on the surface of the silicon region divided by the insulating film on the main surface side of the substrate, and the surface of the silicide film or the silicide film A nitride film mainly composed of a second metal and nitrogen is formed on the surface and the crystal grain boundary.

前記シリコン領域としては、MISトランジスタのゲート電極を構成するシリコン領域(多結晶シリコンで形成される領域)及びMISトランジスタのソース・ドレイン拡散層(単結晶シリコン基板に形成される領域)を構成するシリコン領域の少なくとも一方の領域があげられる。   As the silicon region, a silicon region constituting a gate electrode of a MIS transistor (a region formed of polycrystalline silicon) and a silicon constituting a source / drain diffusion layer (a region formed on a single crystal silicon substrate) of the MIS transistor. At least one of the areas is raised.

前記第1の金属としてはCo、Ni、Pt又はPdがあげられ、前記第2の金属はTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrがあげられる。また、前記絶縁膜としては、素子分離絶縁膜やゲート側壁絶縁膜等をあげることができる。さらに、前記窒化物膜には、第2の金属及び窒素の他にシリコンが含まれていてもよい。   Examples of the first metal include Co, Ni, Pt, and Pd, and examples of the second metal include Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, and Cr. Examples of the insulating film include an element isolation insulating film and a gate sidewall insulating film. Further, the nitride film may contain silicon in addition to the second metal and nitrogen.

前記発明によれば、MISトランジスタが微細化されてもゲート部或いはソース・ドレイン部での寄生抵抗を十分に低減することが可能となる。また、ゲート電極やソース・ドレイン拡散層上の開口部に金属等を埋め込む場合、窒化物膜がシリサイド膜の表面のみ又はシリサイド膜の表面及び結晶粒界のみに選択的に形成されていれば、開口部側壁にも窒化物膜が形成されている場合に比べて、開口部が狭められることによる抵抗の増大を抑えることができる。   According to the invention, it is possible to sufficiently reduce the parasitic resistance in the gate portion or the source / drain portion even if the MIS transistor is miniaturized. Further, when a metal or the like is embedded in the opening on the gate electrode or the source / drain diffusion layer, if the nitride film is selectively formed only on the surface of the silicide film or only on the surface of the silicide film and the crystal grain boundary, Compared with the case where a nitride film is also formed on the side wall of the opening, an increase in resistance due to the narrowing of the opening can be suppressed.

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板主表面側に絶縁膜によって区分されたシリコン領域を形成する工程と、このシリコン領域が形成された基板上に第1の金属及び第2の金属の混合膜を形成する工程と、熱処理により前記第1の金属及び第2の金属と前記シリコン領域のシリコンとを反応させて前記シリコン領域の表面にのみ第1のシリサイド膜を形成する工程と、この第1のシリサイド膜を窒化性の雰囲気で熱処理することにより第2のシリサイド膜並びにこの第2のシリサイド膜の表面又はこの第2のシリサイド膜の表面及び結晶粒界に第2の金属及び窒素を主成分とする窒化物膜を形成する工程とを有することを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a silicon region partitioned by an insulating film on the substrate main surface side, and a first metal and a second metal on the substrate on which the silicon region is formed. Forming a mixed film; reacting the first metal and the second metal with silicon in the silicon region by heat treatment to form a first silicide film only on the surface of the silicon region; and By heat-treating the first silicide film in a nitriding atmosphere, the second silicide film and the surface of the second silicide film or the surface of the second silicide film and the crystal grain boundary are exposed to the second metal and nitrogen. And a step of forming a nitride film as a main component.

前記発明によれば、第2の金属によってシリコン領域上の自然酸化膜等を還元することが可能となり、シリコン領域上に良好なシリサイド膜を形成することができる。また、第2のシリサイド膜の表面等に第2の金属及び窒素を主成分とする窒化物膜を形成することにより、シリサイド膜の熱的安定性が低下するといった問題を防止することができる。よって、MISトランジスタが微細化されても高いプロセス安定性でゲート部或いはソース・ドレイン部での寄生抵抗を低減することが可能となる。   According to the invention, it is possible to reduce a natural oxide film or the like on the silicon region by the second metal, and a good silicide film can be formed on the silicon region. Further, by forming a nitride film mainly composed of the second metal and nitrogen on the surface of the second silicide film or the like, it is possible to prevent a problem that the thermal stability of the silicide film is lowered. Therefore, even if the MIS transistor is miniaturized, it is possible to reduce the parasitic resistance in the gate portion or the source / drain portion with high process stability.

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板主表面側に絶縁膜によって区分されたシリコン領域を形成する工程と、このシリコン領域表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、このシリコン酸化膜を形成した基板上に第1の金属及び第2の金属の混合膜を形成する工程と、熱処理により前記シリコン領域に形成されたシリコン酸化膜を前記第2の金属によって還元する工程と、熱処理により前記第1の金属と前記シリコン領域のシリコンとを反応させて前記シリコン領域の表面にのみシリサイド膜を形成する工程とを有することを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a silicon region partitioned by an insulating film on the substrate main surface side, a step of forming a silicon oxide film on the surface of the silicon region, and the silicon oxide film. Forming a mixed film of the first metal and the second metal on the substrate on which the metal is formed, a step of reducing the silicon oxide film formed in the silicon region by the heat treatment with the second metal, and a heat treatment And a step of reacting the first metal with silicon in the silicon region to form a silicide film only on the surface of the silicon region.

なお、前記シリコン酸化膜を還元する工程及び前記シリサイド膜を形成する工程における熱処理は同一の熱処理工程によって行うことが好ましい。   The heat treatment in the step of reducing the silicon oxide film and the step of forming the silicide film is preferably performed by the same heat treatment step.

前記発明によれば、第2の金属によってシリコン酸化膜を還元する際に、第1の金属及び第2の金属の混合膜とシリコン領域との界面にアモルファス層が形成され、このアモルファス層の作用によりアモルファス層とシリコン領域との界面において単結晶のシリサイド膜を成長させることが可能となる。したがって、シリサイド膜の均一性の向上等をはかることができ、MISトランジスタが微細化されても高いプロセス安定性で特性に優れたデバイスを作製することが可能となる。   According to the invention, when the silicon oxide film is reduced by the second metal, the amorphous layer is formed at the interface between the first metal and the mixed film of the second metal and the silicon region. This makes it possible to grow a monocrystalline silicide film at the interface between the amorphous layer and the silicon region. Accordingly, the uniformity of the silicide film can be improved, and a device having high process stability and excellent characteristics can be manufactured even if the MIS transistor is miniaturized.

なお、第2の金属によってシリコン酸化膜の還元を十分に行う観点から、シリコン領域表面に形成するシリコン酸化膜の膜厚は、前記混合膜の膜厚に該混合膜中の第2の金属の割合(混合膜中の第1及び第2の金属の原子数に対する第2の金属の原子数の割合)を乗じた値以下とすることが好ましい。   From the viewpoint of sufficiently reducing the silicon oxide film with the second metal, the film thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the silicon region is the same as that of the second metal in the mixed film. It is preferable that the ratio is not more than a value multiplied by a ratio (a ratio of the number of atoms of the second metal to the number of atoms of the first and second metals in the mixed film).

また、シリコン酸化膜が薄すぎるとアモルファス層が薄くなり、単結晶のシリサイド膜の形成が困難になるため、シリコン領域表面に形成するシリコン酸化膜の膜厚を0.5nm以上とすることが好ましい。   Further, if the silicon oxide film is too thin, the amorphous layer becomes thin and it becomes difficult to form a single-crystal silicide film. Therefore, the thickness of the silicon oxide film formed on the silicon region surface is preferably 0.5 nm or more. .

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板主表面側の第1の絶縁膜によって区分されたシリコン領域表面にのみ第1の金属及びシリコンを主成分とするシリサイド膜を、このシリサイド膜の表面又はこのシリサイド膜の表面及び結晶粒界に第2の金属及び窒素を主成分とする窒化物膜を形成する工程と、この窒化物膜表面上に開口部を有する第2の絶縁膜を形成する工程と、前記開口部内にアモルファスシリコンを埋め込む工程と、少なくともこのアモルファスシリコン上にアルミニウムを形成する工程と(通常はアルミニウム上にさらにチタニウムを形成する)、熱処理により前記アモルファスシリコンとアルミニウムとを置換して前記開口部内にアルミニウムを埋め込む工程とを有することを特徴とする。   In addition, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a silicide film mainly composed of a first metal and silicon is formed only on the silicon region surface separated by the first insulating film on the substrate main surface side. Forming a nitride film mainly composed of a second metal and nitrogen on the surface of the silicide film or the surface of the silicide film and the crystal grain boundary; and a second insulating film having an opening on the nitride film surface. A step of forming amorphous silicon in the opening, a step of forming aluminum on at least the amorphous silicon (usually forming further titanium on the aluminum), and heat treatment to form the amorphous silicon and aluminum. And a step of burying aluminum in the opening.

前記発明によれば、予めシリサイド膜表面に窒化物膜が形成されているため、アルミニウムによるスパイクの発生を防止することができる。また、あらためて開口部内部に窒化物膜を堆積する必要がないので、工程数の増加や開口部が狭められることによる抵抗の増大を抑制することができる。   According to the invention, since the nitride film is formed on the surface of the silicide film in advance, the occurrence of spikes due to aluminum can be prevented. In addition, since it is not necessary to deposit a nitride film inside the opening, it is possible to suppress an increase in the number of processes and an increase in resistance due to the opening being narrowed.

本発明によれば、シリコン領域上に良質のシリサイド膜を形成することができ、またシリサイド膜の熱的安定性が低下するといった問題を防止することが可能となり、素子が微細化されても優れたプロセス安定性で寄生抵抗の低減等、特性に優れた半導体装置を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to form a high-quality silicide film on a silicon region, and it is possible to prevent the problem that the thermal stability of the silicide film is lowered, and it is excellent even if the element is miniaturized. Thus, it is possible to obtain a semiconductor device having excellent characteristics such as reduced process resistance and reduced parasitic resistance.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、本発明の第1の実施形態について、図1を参照して説明する。   First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、シリコン基板1上に、素子分離用絶縁膜(シリコン酸化膜)2を形成する。続いて、MOSFETのゲート酸化膜3、多結晶シリコンからなるゲート電極4及び浅いソース・ドレイン拡散層5を形成し、さらにシリコン窒化膜からなるゲート側壁膜6をマスクとして深いソース・ドレイン拡散層7を形成する(図1(a))。   First, an element isolation insulating film (silicon oxide film) 2 is formed on a silicon substrate 1. Subsequently, a gate oxide film 3 of the MOSFET, a gate electrode 4 made of polycrystalline silicon, and a shallow source / drain diffusion layer 5 are formed, and a deep source / drain diffusion layer 7 is formed using the gate sidewall film 6 made of a silicon nitride film as a mask. Is formed (FIG. 1A).

次に、希フッ酸処理等により多結晶シリコンゲート電極4表面及び深いソース・ドレイン拡散層7表面のシリコン酸化膜を除去する。その後、オゾン水、または過酸化水素水などの酸化剤を含む水溶液と塩酸、硫酸、アンモニア水などとの混合液等による表面処理を行うことにより、シリサイド膜形成領域の表面に均一で薄い自然酸化膜(図示せず)を形成する。続いて、全面に10〜30%程度のチタニウムを含むコバルト膜8を堆積し、さらにその上にチタニウム窒化膜9を堆積する。この時、チタニウム窒化膜9の堆積を省略することも可能である(図1(b))。   Next, the silicon oxide film on the surface of the polycrystalline silicon gate electrode 4 and the deep source / drain diffusion layer 7 is removed by dilute hydrofluoric acid treatment or the like. After that, surface treatment with a mixed solution of an aqueous solution containing an oxidizing agent such as ozone water or aqueous hydrogen peroxide and hydrochloric acid, sulfuric acid, ammonia water, etc. is performed, and the surface of the silicide film formation region is uniformly and thinly oxidized naturally. A film (not shown) is formed. Subsequently, a cobalt film 8 containing about 10 to 30% titanium is deposited on the entire surface, and a titanium nitride film 9 is further deposited thereon. At this time, the deposition of the titanium nitride film 9 can be omitted (FIG. 1B).

次に、ランプアニール装置等により、550〜700℃程度の温度で短時間アニールを行い、シリコン基板1及び多結晶シリコン膜4とチタニウムを含むコバルト膜8とを反応させて、チタニウムを含むコバルトモノシリサイド(CoSi)膜10を形成する。その後、硫酸と過酸化水素水の混合液のようなエッチング液を用いて、チタニウム窒化膜9及び未反応のチタニウムを含むコバルト膜8をエッチング除去する(図1(c))。   Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 550 to 700 ° C. using a lamp annealing apparatus or the like, and the silicon substrate 1 and the polycrystalline silicon film 4 are reacted with the cobalt film 8 containing titanium to thereby obtain cobalt monosilicate containing titanium. Side (CoSi) film 10 is formed. Thereafter, the titanium nitride film 9 and the cobalt film 8 containing unreacted titanium are removed by etching using an etching solution such as a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution (FIG. 1C).

次に、ランプアニール装置等により窒素又はアンモニア雰囲気中で800〜900℃程度の温度で短時間アニールを行い、チタニウムを含むコバルトモノシリサイド(CoSi)膜10を低抵抗のコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜11に変化させるとともに、膜中に含まれていたチタニウムを膜表面の窒化反応によって吸い出し、コバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜11の表面にチタニウム窒化膜12を選択的に形成する。このとき、コバルトダイシリサイドが多結晶である場合には、その結晶粒界にもチタニウム窒化物(膜)が選択的に形成される(図1(d))。 Next, annealing is performed for a short time at a temperature of about 800 to 900 ° C. in a nitrogen or ammonia atmosphere using a lamp annealing apparatus or the like, and the cobalt monosilicide (CoSi) film 10 containing titanium is converted into a low resistance cobalt disilicide (CoSi 2 ). While changing to the film 11, titanium contained in the film is sucked out by a nitridation reaction on the film surface, and a titanium nitride film 12 is selectively formed on the surface of the cobalt disilicide (CoSi 2 ) film 11. At this time, when the cobalt disilicide is polycrystalline, titanium nitride (film) is selectively formed also at the crystal grain boundary (FIG. 1D).

次に、全面に減圧CVD法及びプラズマCVD法により、シリコン酸化膜13及び14を堆積し、CMP工程等により平坦化を行う(図1(e))。   Next, silicon oxide films 13 and 14 are deposited on the entire surface by a low pressure CVD method and a plasma CVD method, and flattened by a CMP process or the like (FIG. 1E).

次に、シリコン酸化膜13及び14に対してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内部にコンタクトプラグとしてタングステン等の金属膜15を埋め込み、さらにアルミニウム等の配線層16を形成してソース・ドレイン拡散層及びゲート電極と接続する(図1(f))。   Next, a contact hole is formed in the silicon oxide films 13 and 14, a metal film 15 such as tungsten is buried as a contact plug in the contact hole, and a wiring layer 16 such as aluminum is further formed to form source / drain diffusions. It connects with a layer and a gate electrode (FIG.1 (f)).

以上の工程により、多結晶シリコンゲート電極4上及びソース・ドレイン拡散層7上にのみコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜11が形成され、かつ、コバルトダイシリサイド膜11の表面上に選択的にチタニウム窒化膜12が形成される。コバルトダイシリサイドが多結晶の場合には、結晶粒界にも選択的にチタニウム窒化膜が形成される。 Through the above steps, the cobalt disilicide (CoSi 2 ) film 11 is formed only on the polycrystalline silicon gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7, and the titanium is selectively formed on the surface of the cobalt disilicide film 11. A nitride film 12 is formed. When the cobalt disilicide is polycrystalline, a titanium nitride film is selectively formed also at the crystal grain boundary.

本実施形態によれば、ゲート長0.2μm以下の細線領域での寄生抵抗の低減はもちろんのこと、コバルト膜にシリコン酸化膜に対して還元性の高いチタニウムが含まれているため、従来のサリサイドプロセスで問題となっていた自然酸化膜によるシリサイド反応の阻害や不均一な反応が起こることを防止することができる。また、フッ酸系の前処理で発生するウォーターマークの発生といった問題も生じなくなる。また、コバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜表面に自己整合的に耐熱性の高いチタニウム窒化膜を形成することができるため、層間膜としてのシリコン酸化膜堆積時の熱によってコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜が凝集を起こすといった問題も防止することができる。さらに、チタニウム窒化膜がコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜表面にのみ形成されていることから、コンタクトホール側壁にもチタニウム窒化膜が形成されている場合に比べて、コンタクトホールが狭められることによる抵抗の増大を抑えることができる。 According to the present embodiment, since the cobalt film contains titanium having high reducibility with respect to the silicon oxide film as well as the reduction of the parasitic resistance in the thin wire region having a gate length of 0.2 μm or less, It is possible to prevent the silicide reaction from being inhibited by the natural oxide film, which has been a problem in the salicide process, and the occurrence of a non-uniform reaction. In addition, problems such as the generation of watermarks that occur in hydrofluoric acid-based pretreatments do not occur. Further, it is possible to form a cobalt disilicide (CoSi 2) self-aligned manner with high heat resistance titanium nitride film on the film surface, a cobalt disilicide by heat at the time of the silicon oxide film is deposited as an interlayer film (CoSi 2) Problems such as film aggregation can also be prevented. Further, since the titanium nitride film is formed only on the surface of the cobalt disilicide (CoSi 2 ) film, the resistance due to the contact hole being narrowed compared to the case where the titanium nitride film is also formed on the side wall of the contact hole. Can be suppressed.

ところで、本実施形態の図1(b)の工程において、チタニウムを含むコバルト膜8を堆積する際に、多結晶シリコンゲート電極4及びソース・ドレイン拡散層7の表面に形成するシリコン酸化膜の厚さは、堆積するチタニウムを含むコバルト膜8の厚さ(T)及びチタニウム濃度(N)によって決定される。すなわち、このシリコン酸化膜の還元に寄与し得るチタニウムの量は、膜厚換算でT×Nということになる。   By the way, in the step of FIG. 1B of this embodiment, the thickness of the silicon oxide film formed on the surfaces of the polycrystalline silicon gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7 when the cobalt film 8 containing titanium is deposited. The thickness is determined by the thickness (T) and the titanium concentration (N) of the cobalt film 8 containing titanium to be deposited. That is, the amount of titanium that can contribute to the reduction of the silicon oxide film is T × N in terms of film thickness.

図9は、チタニウムを含むコバルト膜(コバルト−チタニウム合金)の膜厚を10、15、20nmと変化させたときの、チタニウム濃度(原子%)に対するチタニウムによって還元可能な酸化膜厚の上限を示した測定結果である。例えば、多結晶シリコンゲート電極4及びソース・ドレイン拡散層7の表面に形成するシリコン酸化膜の厚さは、コバルト−チタニウム合金の膜厚が10nmでチタニウム濃度が10%とすると、膜厚換算でT×N=1nmとなり、この値は縦軸に示した酸化膜厚の上限値とほぼ一致している。他の値についても図9から同様の結果となることがわかる。すなわち、チタニウムによって還元し得るシリコン酸化膜の最大膜厚は、チタニウムの換算膜厚(T×N)とほぼ同程度であるといえる。したがって、均一なコバルト珪化物の膜を得るためには、コバルト珪化物を形成するシリコン表面のシリコン酸化膜の膜厚を、チタニウムの換算膜厚(T×N)以下に抑えることが必要となる。   FIG. 9 shows the upper limit of the oxide film thickness that can be reduced by titanium with respect to the titanium concentration (atomic%) when the film thickness of the cobalt film containing titanium (cobalt-titanium alloy) is changed to 10, 15, and 20 nm. Measurement results. For example, the thickness of the silicon oxide film formed on the surfaces of the polycrystalline silicon gate electrode 4 and the source / drain diffusion layer 7 is calculated in terms of film thickness when the thickness of the cobalt-titanium alloy is 10 nm and the titanium concentration is 10%. T × N = 1 nm, which is substantially equal to the upper limit value of the oxide film thickness shown on the vertical axis. It can be seen from FIG. 9 that the same result is obtained for other values. In other words, it can be said that the maximum film thickness of the silicon oxide film that can be reduced by titanium is substantially the same as the equivalent titanium film thickness (T × N). Therefore, in order to obtain a uniform cobalt silicide film, it is necessary to suppress the thickness of the silicon oxide film on the silicon surface forming the cobalt silicide to be equal to or less than the equivalent titanium thickness (T × N). .

また、コバルト−チタニウム合金膜中のチタニウム濃度に対しても、形成されるコバルト珪化物の抵抗率の観点から制限を加える必要がある。図10に、コバルト−チタニウム合金膜中のチタニウム濃度と形成されるコバルト珪化物の抵抗率の関係を示す。この図から、コバルト−チタニウム合金膜中のチタニウム濃度が上昇するにしたがって、形成されるコバルト珪化物の抵抗率が上昇していくことがわかる。この抵抗率の上昇カーブは、コバルト珪化物を形成する熱工程等によって変化するが、30%以上のチタニウム濃度になると、抵抗率が許容範囲を上回ってしまうものと考えられる。したがって、コバルト−チタニウム合金膜中のチタニウム濃度は30%以下に抑える必要がある。   Also, it is necessary to limit the titanium concentration in the cobalt-titanium alloy film from the viewpoint of the resistivity of the formed cobalt silicide. FIG. 10 shows the relationship between the titanium concentration in the cobalt-titanium alloy film and the resistivity of the cobalt silicide formed. From this figure, it can be seen that the resistivity of the formed cobalt silicide increases as the titanium concentration in the cobalt-titanium alloy film increases. This resistivity rise curve varies depending on the thermal process or the like for forming cobalt silicide, but it is considered that the resistivity exceeds the allowable range at a titanium concentration of 30% or more. Therefore, the titanium concentration in the cobalt-titanium alloy film needs to be suppressed to 30% or less.

以上のことから、均一なコバルト珪化物の膜を得るためには、コバルト珪化物を形成するシリコン表面のシリコン酸化膜膜厚を図12に示す範囲にすることが好ましい。   From the above, in order to obtain a uniform cobalt silicide film, it is preferable that the thickness of the silicon oxide film on the silicon surface on which the cobalt silicide is formed be in the range shown in FIG.

また、本実施形態によれば、(100)面方位のシリコン基板上において形成されるコバルトダイシリサイド膜を多結晶ではなく単結晶にすることが可能である。   Further, according to the present embodiment, the cobalt disilicide film formed on the (100) plane-oriented silicon substrate can be made a single crystal instead of a polycrystal.

コバルト珪化物を形成するシリコン表面にシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜をコバルト−チタニウム合金膜中のチタニウムによって還元させると、シリコン基板とコバルト−チタニウム合金膜の界面に、チタニウム、シリコン及び酸素を主成分とするアモルファス層が形成される。このようなアモルファス層がない場合には、コバルトとシリコンとの反応は、双方が拡散する結果、コバルト−チタニウム合金膜中のあらゆる部分で生じ、図12に示すように、
Co→Co2 Si→CoSi→CoSi2
というように順番に形成されていく。一方、前述のようなアモルファス層が界面に存在する場合には、コバルト原子のシリコン基板への供給がアモルファス層によって律速され、なおかつアモルファス層とシリコン基板の界面でのみ、
Co→CoSi2
という反応が生じるようになる。このコバルトダイシリサイド(CoSi2 )膜は、シリコンと結晶構造が非常に近似しているため、アモルファス層とシリコンの界面でコバルトダイシリサイドがエピタキシャル成長し、単結晶のコバルトダイシリサイドが形成される。したがって、図1(b)の工程においてチタニウムを含むコバルト膜を形成する際に、所望膜厚のシリコン酸化膜を形成しておくことにより、図1(c)の熱処理工程において単結晶のコバルトダイシリサイドを形成することも可能となる。
When a silicon oxide film is formed on the silicon surface on which cobalt silicide is formed and this silicon oxide film is reduced by titanium in the cobalt-titanium alloy film, titanium, silicon, and silicon are formed at the interface between the silicon substrate and the cobalt-titanium alloy film. An amorphous layer mainly composed of oxygen is formed. In the absence of such an amorphous layer, the reaction between cobalt and silicon occurs in all parts of the cobalt-titanium alloy film as a result of both diffusing, as shown in FIG.
Co → Co 2 Si → CoSi → CoSi 2
And so on. On the other hand, when an amorphous layer as described above is present at the interface, the supply of cobalt atoms to the silicon substrate is rate limited by the amorphous layer, and only at the interface between the amorphous layer and the silicon substrate,
Co → CoSi 2
The reaction that comes to occur. Since this cobalt disilicide (CoSi 2 ) film has a crystal structure very close to that of silicon, cobalt disilicide is epitaxially grown at the interface between the amorphous layer and silicon to form single crystal cobalt disilicide. Therefore, when forming a cobalt film containing titanium in the step of FIG. 1B, a silicon oxide film having a desired thickness is formed, so that a single crystal cobalt die is formed in the heat treatment step of FIG. It is also possible to form silicide.

このように、(100)面方位のシリコン基板上に単結晶のコバルトダイシリサイドを形成する場合、コバルト−チタニウム合金膜とシリコン基板の界面に形成されるチタニウム、シリコン及び酸素を主成分とするアモルファス層が重要な役割をはたす。図1(b)の工程において、チタニウムを含むコバルト膜8を堆積する際にソース・ドレイン拡散層7の表面に形成しておく酸化シリコン膜の厚さは、薄すぎると形成されるコバルトダイシリサイド膜が多結晶になってしまう。単結晶のコバルトダイシリサイド膜を形成するために必要なシリコン酸化膜の膜厚は、最低でも0.5nm以上必要であることを実験により確認している。   As described above, when a single crystal cobalt disilicide is formed on a (100) -oriented silicon substrate, an amorphous material mainly composed of titanium, silicon, and oxygen formed at the interface between the cobalt-titanium alloy film and the silicon substrate. The layer plays an important role. In the step of FIG. 1B, the cobalt disilicide formed when the thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the source / drain diffusion layer 7 when depositing the cobalt film 8 containing titanium is too thin. The film becomes polycrystalline. It has been confirmed by experiments that the thickness of the silicon oxide film necessary for forming the single crystal cobalt disilicide film is at least 0.5 nm.

以上のように、チタニウムを含むコバルト膜を堆積する際、シリコン上に形成しておくシリコン酸化膜の膜厚を制御することが非常に重要である。このシリコン酸化膜の膜厚を制御するためには、チタニウムを含むコバルト膜を堆積する前に行う処理において、シリコン酸化膜の剥離工程後に再度化学的にシリコン表面を所望の厚さだけ酸化するために、処理液中のオゾン、活性酸素、窒素酸化物、ハロゲン酸化物、過酸化水素水等の酸化剤の濃度や、処理時間を制御することは勿論のこと、処理を終えてからチタニウムを含むコバルト膜を堆積するまでの間にシリコン酸化膜厚を変化させないようにすることが重要となる。   As described above, when depositing a cobalt film containing titanium, it is very important to control the thickness of the silicon oxide film formed on the silicon. In order to control the film thickness of the silicon oxide film, the silicon surface is chemically oxidized again by a desired thickness after the silicon oxide film peeling step in the process performed before depositing the cobalt film containing titanium. In addition, the concentration of oxidizing agents such as ozone, active oxygen, nitrogen oxides, halogen oxides, and hydrogen peroxide in the processing solution and the processing time are controlled, and titanium is contained after the processing is completed. It is important not to change the silicon oxide film thickness until the cobalt film is deposited.

大気中では、大気中の酸素及び水蒸気によってシリコン酸化膜厚が時間とともに増大していく。そのため、酸化膜厚を制御する処理を行った後、チタニウムを含むコバルト膜を堆積するまでの間は、大気中に比べて酸素及び水蒸気の濃度が低い雰囲気に基板を保持しておくことが重要である。本願発明者らの検討結果によれば、酸素と窒素の混合比率が1:4であるような混合ガス雰囲気或いは大気中において、室温で湿度が50%を越えた時には自然酸化膜厚が最大3nmにまで成長することが判明している。したがって、これよりも湿度を低く保つか、或いは酸素や炭酸ガスの少ない雰囲気に保管することが必要である。シリカゲル、マグネシア(MgO)或いは活性炭を入れた乾燥ボックスを用いて、湿度を20%以下に保つことにより、自然酸化膜の膜厚を1nm以下に抑制することが可能である。   In the atmosphere, the silicon oxide film thickness increases with time due to oxygen and water vapor in the atmosphere. Therefore, it is important to keep the substrate in an atmosphere in which the concentration of oxygen and water vapor is lower than that in the air after the process of controlling the oxide film thickness and before the deposition of the cobalt film containing titanium. It is. According to the examination results of the present inventors, the natural oxide film thickness is 3 nm at the maximum when the humidity exceeds 50% at room temperature in a mixed gas atmosphere or air in which the mixing ratio of oxygen and nitrogen is 1: 4. It has been found to grow up to. Therefore, it is necessary to keep the humidity lower than this, or store it in an atmosphere with less oxygen and carbon dioxide. By using a drying box containing silica gel, magnesia (MgO) or activated carbon and keeping the humidity at 20% or less, the thickness of the natural oxide film can be suppressed to 1 nm or less.

以上のように、本実施形態においては、(100)面方位のシリコン基板上において単結晶のコバルトダイシリサイド膜を得ることが可能であり、多結晶のコバルトダイシリサイドに比べて膜の均一性が向上し、コバルトダイシリサイド膜底面とゲート酸化膜及びソース・ドレイン拡散層の接合位置との最小距離を大きく保つことが可能となり、ゲート耐圧の劣化や接合リークの発生を抑制することが可能になるとともに、コバルト珪化物の耐熱性も向上する。   As described above, in the present embodiment, a single crystal cobalt disilicide film can be obtained on a (100) -oriented silicon substrate, and the film uniformity is higher than that of polycrystalline cobalt disilicide. The minimum distance between the bottom surface of the cobalt disilicide film and the junction position of the gate oxide film and the source / drain diffusion layer can be kept large, and the deterioration of the gate breakdown voltage and the occurrence of junction leakage can be suppressed. At the same time, the heat resistance of the cobalt silicide is improved.

なお、上記実施形態では、チタニウムを含むコバルト膜8を用いたが、チタニウムの代わりにZr、Hf、V、Nb、Ta又はCrを、Coの代わりにNi、Pt又はPdを用いることも可能である。   In the above embodiment, the cobalt film 8 containing titanium is used. However, Zr, Hf, V, Nb, Ta, or Cr can be used instead of titanium, and Ni, Pt, or Pd can be used instead of Co. is there.

次に、本発明の第2の実施形態について、図2を参照して説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

なお、MOSトランジスタの作製工程等については図1に示した第1の実施形態と同様であるため、途中の工程までは第1の実施形態を参照することとし、説明は省略する。   Since the manufacturing process of the MOS transistor and the like are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, the first embodiment is referred to up to the intermediate process, and the description is omitted.

図1(d)に示す表面がチタニウム窒化膜12で覆われたコバルトシリサイド膜11を貼り付けた構造を形成した後、層間絶縁膜(シリコン酸化膜)13及び14を全面に堆積し、コンタクトホールを形成する。その後、アモルファスシリコン膜17を堆積してエッチバックを行い、コンタクトホール内部にのみアモルファスシリコン17を残す。続いて、全面にアルミニウム膜18及びチタニウム膜19を堆積する(図2(a))。   After forming a structure in which a cobalt silicide film 11 whose surface is covered with a titanium nitride film 12 is pasted as shown in FIG. 1D, interlayer insulating films (silicon oxide films) 13 and 14 are deposited on the entire surface, and contact holes are formed. Form. Thereafter, an amorphous silicon film 17 is deposited and etched back to leave the amorphous silicon 17 only in the contact holes. Subsequently, an aluminum film 18 and a titanium film 19 are deposited on the entire surface (FIG. 2A).

次に、600℃以下の熱工程によりアモルファスシリコン17、アルミニウム18及びチタニウム19を反応させて、コンタクトホール内部のアモルファスシリコン17をアルミニウム20に置換する。その後、CMP工程等により、コンタクトホール外部に残るアルミニウム18、チタニウム19及び置換反応によって吸い出されたシリコン17を除去する(図2(b))。   Next, the amorphous silicon 17, the aluminum 18 and the titanium 19 are reacted by a heat process at 600 ° C. or less to replace the amorphous silicon 17 inside the contact hole with the aluminum 20. Thereafter, the aluminum 18 and titanium 19 remaining outside the contact hole and the silicon 17 sucked out by the substitution reaction are removed by a CMP process or the like (FIG. 2B).

次に、全面にアルミニウム等の配線用金属21を堆積してパターニングを行うことにより、半導体素子部と配線層とを接続する(図2(c))。   Next, a wiring metal 21 such as aluminum is deposited on the entire surface and patterned to connect the semiconductor element portion and the wiring layer (FIG. 2C).

このように本実施形態によれば、予めシリサイド膜11表面が拡散バリア性の高いチタニウム窒化膜12で覆われているため、アルミニウムによるスパイクの発生を防止することができる。また、あらためてコンタクトホール内部にチタニウム窒化膜を堆積する必要がないので、工程数の増加やコンタクトホールが狭められることによる抵抗の増大を抑制することができる。   Thus, according to the present embodiment, since the surface of the silicide film 11 is previously covered with the titanium nitride film 12 having a high diffusion barrier property, it is possible to prevent the occurrence of spikes due to aluminum. In addition, since it is not necessary to deposit a titanium nitride film inside the contact hole again, it is possible to suppress an increase in resistance due to an increase in the number of processes and a narrowing of the contact hole.

本発明の第1の実施形態に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 従来技術に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on a prior art. 他の従来技術に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on another prior art. 従来技術の問題点について示した断面図。Sectional drawing shown about the problem of the prior art. 従来技術の問題点について示した断面図。Sectional drawing shown about the problem of the prior art. 他の従来技術に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on another prior art. 他の従来技術に係る製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process which concerns on another prior art. コバルト−チタニウム合金を堆積する際にシリコン表面に形成し得るシリコン酸化膜厚の上限について示した図。The figure shown about the upper limit of the silicon oxide film thickness which can be formed in the silicon surface when depositing a cobalt titanium alloy. コバルト−チタニウム合金中のチタニウム濃度の上限について示した図。The figure shown about the upper limit of the titanium concentration in a cobalt-titanium alloy. コバルト−チタニウム合金を堆積する際にシリコン表面に形成し得るシリコン酸化膜厚の範囲について示した図。The figure shown about the range of the silicon oxide film thickness which can be formed in the silicon | silicone surface when depositing a cobalt titanium alloy. コバルト−チタニウム合金を堆積する際にシリコン表面にシリコン酸化膜が存在しない場合のシリサイド化反応について示した図。The figure shown about silicidation reaction when a silicon oxide film does not exist on the silicon surface when depositing a cobalt-titanium alloy. コバルト−チタニウム合金を堆積する際にシリコン表面に一定量以上のシリコン酸化膜が存在する場合のシリサイド化反応について示した図。The figure shown about silicidation reaction in case a certain amount or more of silicon oxide films exist on the silicon surface when depositing a cobalt-titanium alloy.

符号の説明Explanation of symbols

1…シリコン基板
2…素子分離絶縁膜
3…ゲート絶縁膜
4…多結晶シリコンゲート電極
5、7…ソース・ドレイン拡散層
6…ゲート側壁膜
8…チタニウムを含んだコバルト膜
9…チタニウム窒化膜
10…チタニウムを含んだコバルトモノシリサイド膜
11…コバルトダイシリサイド膜
12…チタニウム窒化膜
13、14…シリコン酸化膜
15…コンタクトプラグ
16…配線
17…アモルファスシリコン膜
18…アルミニウム膜
19…チタニウム膜
20…シリコンと置換したアルミニウム
21…配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... Element isolation insulating film 3 ... Gate insulating film 4 ... Polycrystalline silicon gate electrode 5, 7 ... Source / drain diffused layer 6 ... Gate side wall film 8 ... Cobalt film containing titanium 9 ... Titanium nitride film 10 Cobalt monosilicide film containing titanium 11 Cobalt disilicide film 12 Titanium nitride film 13, 14 Silicon oxide film 15 Contact plug 16 Wiring 17 Amorphous silicon film 18 Aluminum film 19 Titanium film 20 Silicon Replaced with aluminum 21 ... wiring

Claims (3)

基板主表面側に絶縁膜によって区分されたシリコン領域を形成する工程と、このシリコン領域表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、このシリコン酸化膜を形成した基板上に第1の金属及び第2の金属の混合膜を形成する工程と、熱処理により前記シリコン領域に形成されたシリコン酸化膜を前記第2の金属によって還元する工程と、熱処理により前記第1の金属と前記シリコン領域のシリコンとを反応させて前記シリコン領域の表面にのみシリサイド膜を形成する工程とを有し、
前記第1の金属はCo、Ni、Pt又はPdであり、前記第2の金属はTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a silicon region partitioned by an insulating film on the main surface side of the substrate; forming a silicon oxide film on the surface of the silicon region; and forming a first metal and a second metal on the substrate on which the silicon oxide film is formed. A step of forming a metal mixed film, a step of reducing a silicon oxide film formed in the silicon region by heat treatment with the second metal, and a step of heat treating the first metal and silicon in the silicon region. Reacting to form a silicide film only on the surface of the silicon region,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first metal is Co, Ni, Pt, or Pd, and the second metal is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, or Cr.
前記シリコン領域表面に形成するシリコン酸化膜の膜厚を、前記混合膜の膜厚に該混合膜中の第2の金属の割合を乗じた値以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The film thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the silicon region is set to be equal to or less than a value obtained by multiplying the film thickness of the mixed film by the ratio of the second metal in the mixed film. Semiconductor device manufacturing method. 前記シリコン領域表面に形成するシリコン酸化膜の膜厚を0.5nm以上とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the silicon region is 0.5 nm or more.
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