JP2008166809A - ゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドが形成された半導体デバイス - Google Patents

ゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドが形成された半導体デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】ゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドが形成されたデバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも一部領域がシリコンゲルマニウムからなる基板を提供するステップと、前記シリコンゲルマニウム上に金属層を形成するステップと、金属層が形成された基板を高圧で熱処理してゲルマニウムシリサイドを形成するステップと、を含むことを特徴とするゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドを形成した半導体デバイスである。
【選択図】図9

Description

本発明は、ゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドが形成された半導体デバイスに関する。
高密度集積回路(Large Scale Integrated circuit:LSI)を構成するとき、多くの段階を連結して大規模ロジック回路を形成する。しかし、段階がつながる度にソース及びドレインに連結される金属ラインの抵抗が増大して抵抗値が高くなり、電力消耗が急増し、信号の伝播が遅くなるという問題が発生する。したがって、ソース及びドレインに金属を蒸着した後、熱処理を通じて形成させるシリサイドに対して非常に低い面抵抗が要求されている。
トランジスタの移動度を向上させるために、ソース及びドレインにシリコンゲルマニウム(SiGe)をエピタキシ成長させて圧縮ストレスを調節できる。ゲルマニウムシリサイドは、シリコンゲルマニウム上に金属を蒸着して熱処理工程を行うことによって形成される。しかし、熱処理工程は、ゲルマニウムシリサイドの抵抗を増加させる。
図1Aは、シリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、Si基板上に金属を蒸着した構造を示す。図1Bは、SiGe基板に適したゲルマニウムシリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、SiGe基板上に金属を蒸着した構造を示す。図1Cは、SiGe基板に適したシリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、SiGe基板上にSi層を形成した後に金属を蒸着した構造を示す。
金属をSi基板に蒸着した図1Aの構造を熱処理する時に生成されるシリサイドと異なり、図1Bの積層構造でのSiGeの場合、熱処理時に形成されるゲルマニウムシリサイドの抵抗がさらに大きいという問題が発生する。
それを解決するために、最近には、図1Cのように、SiGe基板上にSi薄膜をエピタキシ工法で薄く成長させて金属を蒸着した後、熱処理を通じてシリサイドを形成させることによって、ゲルマニウムシリサイドの形成を防止する方法を利用している。この方法を利用する場合、図2に示したように低い面抵抗を確保できる。
図2は、図1Aないし図1Cの構造を高速熱アニーリング(Rapid Thermal Annealing:RTA)処理して形成したシリサイド及びゲルマニウムシリサイドの面抵抗特性を示すグラフである。図2において、横軸は、シリサイド形成温度を表す。図2のグラフは、非特許文献1に開示されている。図2から分かるように、Ni−Si0.8Ge0.2構造(図1Bの積層構造)を熱処理した場合、面抵抗がNi−Si構造(図1Aの積層構造)を熱処理した場合に比べて高くなるが、Ni−Si/Si0.8Ge0.2構造(図1Cの積層構造)を熱処理した場合の面抵抗は、再びNi−Si構造を熱処理した場合と同様に低くなりうる。
図2から分かるように、SiGe上にSi薄膜をエピタキシに薄く成長させ、その上に金属層を形成すれば、熱処理時にゲルマニウムシリサイドの形成が抑制されて面抵抗を低める。しかし、この場合、Si薄膜をエピタキシに薄く成長させる工程が追加されるので、半導体製作コスト及び製作時間が延長して収率が悪くなるという短所がある。図3は、RTAを行うことによるゲルマニウムシリサイドの形成過程を示すグラフであり、図4は、RTAを行うことによるシリサイド及びゲルマニウムシリサイドを有するダイオード素子のI−V特性を示すグラフである。図4において、左側のグラフは、Si基板にNi層を形成した後で熱処理してシリサイド(NiSi)を形成したサンプルに対するI−V特性を示し、右側のグラフは、SiGe基板にNi層を形成した後で熱処理してゲルマニウムシリサイド(NiSiGe)を形成したサンプルに対するI−V特性を示す。図4のグラフは、非特許文献2に開示されている。
ゲルマニウムシリサイドの抵抗がシリサイドの抵抗に比べて高い理由は、図3から分かるように、ゲルマニウムシリサイドとSiGeとの粗い界面でゲルマニウムが局部的に蓄積されつつ界面が不均一になるためである。ゲルマニウムが局部的に蓄積される程度は、低温より高温でさらに大きく起きる。ゲルマニウムシリサイドのシリサイドに比べて大きい粗度及び界面電荷に起因して、図4のようにゲルマニウムシリサイドを有するダイオードの漏れ電流が顕著に増加しうる。
T.H.Yang et al.,IEEE Electron Device Lett.,vol.24,p.544,2003 A.R.Saha et al.,Microelectronic Reliability,vol.45,p.1154,2005
本発明の目的は、ゲルマニウムシリサイドと基板との界面粗度を向上させ、面抵抗を低めるゲルマニウムシリサイドの形成方法及びゲルマニウムシリサイドが形成された半導体デバイスを提供するところにある。
前記目的を達成するために、本発明の実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法は、少なくとも一部領域がシリコンゲルマニウムからなり、そのシリコンゲルマニウム上に金属層が形成された基板を準備するステップと、前記金属層が形成された積層構造に高圧で熱処理してゲルマニウムシリサイドを形成するステップと、を含む。
前記熱処理は、約3ないし約100気圧の相対的に高圧下で行われる。例えば、熱処理は、約10気圧下で行われる。
また、前記熱処理は、約100ないし約600℃の温度で行われる。例えば、熱処理は、約300℃の温度で行われる。
前記熱処理は、ゲルマニウムシリサイド化工程でありうる。
前記金属層は、単一層または複数の層が積層された構造で形成される。
また、前記金属層は、単一原子からなるか、合金からなる。
前記基板は、シリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)基板である。
このとき、前記基板は、一部領域にドーピング領域を備え、前記金属層は、ドーピング領域上に形成される。
前記基板は、シリコン基板であり、前記基板の一部分にシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)からなる領域を備え、前記金属層は、シリコンゲルマニウムからなる領域上に形成される。
このとき、前記シリコンゲルマニウムからなる領域はドーピングされる。
前記目的を達成するために、本発明の実施形態による半導体デバイスは、基板に形成されたソース及びドレイン領域を備える。ゲルマニウムシリサイドは、前記ソース及びドレイン領域上に備えられる。
前記ゲルマニウムシリサイドは、その一部にシリコンゲルマニウムが形成された基板を準備して形成される。金属層がシリコンゲルマニウム上に形成される。熱処理は、ゲルマニウムシリサイドを形成するように相対的に高圧下で基板上に行われる。
本発明の実施形態のようにHPAを利用してゲルマニウムシリサイドを形成すれば、既存のRTA方法に比べて低温で短時間にさらに低い面抵抗値が得られる。
また、形成されたゲルマニウムシリサイドとSiGe基板との界面粗度が向上し、これによって界面電荷が減少して漏れ電流が低くなるので、素子特性が改善される。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法及びそれを適用してゲルマニウムシリサイドが形成されたデバイスを詳細に説明する。
本発明は、ゲルマニウムシリサイドを形成するために使われてきた既存の方法とは異なり、相対的に高圧でアニーリングを行うことによって、ゲルマニウムシリサイドと基板との界面粗度を向上させ、面抵抗を低める方法を提示する。
図5A及び図5Bは、本発明の一実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法を概略的に示す図面である。
本発明の一実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法によれば、まず、図5Aのように、少なくとも一部領域3がSiGeからなり、そのSiGeからなる領域3上に金属層5が形成された基板1を準備する。
前記基板1としては、シリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)基板を備える。
代案として、前記基板1としては、Si基板を備え、その基板1の一部分にシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)からなる領域3を備え、その領域3上に前記金属層5を形成することもできる。このとき、SiGeは、それを形成しようとする領域3にエピタキシ成長されうる。後述する半導体デバイスの実施形態のように、SiGeを形成しようとする領域3は、ソースやドレインまたはゲート電極の上面となりうる。
すなわち、前記基板1としては、Si基板またはシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)基板を備えるが、このとき、少なくとも図5Aで点線で表示された領域3は、シリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)からなりうる。そして、前記領域3上に金属層5が形成されうる。
このとき、前記領域3は、トランジスタの構成時にソースまたはドレインとして役割を行うように、不純物でドーピングされたドーピング領域でありうる。
前記金属層5は、単一層または複数の層が積層された構造で形成される。また、前記金属層は、単一原子からなるか、または合金からなる。
例えば、前記金属層5は、Sc,Ti,V,Cr,Co,Ni,Cu,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Pd,Hf,Ta,W,Re,Ir,Pt,La,Sm,Gd,Dy,Er,Yb及びTiNからなる群から選択された一種以上の物質またはその合金で単一層または複数の層が積層された構造で形成される。
次いで、図5Bのように、少なくとも金属層5が形成される領域3がSiGeからなる基板1を大気圧以上の相対的に高圧下で熱処理する。これにより、金属層5のSiGeと隣接した領域にゲルマニウムシリサイド7が形成される。図5Bでは、金属層5の全体がゲルマニウムシリサイド7で形成される例を示す。
熱処理は、約3気圧ないし約100気圧の相対的に高圧下で行われる。例えば、熱処理は、約10気圧以上の圧力下で行われる。また、熱処理は、約100ないし約600℃の温度で行われる。例えば、熱処理は、約300℃の温度で行われる。このとき、熱処理は、ゲルマニウムシリサイド化工程により行われる。ゲルマニウムシリサイド化工程のために、金属層5と基板1との間に十分な反応を起こす温度及び圧力下で加熱される。高圧下での熱処理後、金属層にゲルマニウムシリサイドで形成されていない領域が存在する場合、このゲルマニウムシリサイドで形成されていない金属層領域は、ウェットエッチングにより除去される。
前記のように高圧下で熱処理すれば、RTA方法を適用した場合に比べて比較的低いアニーリング温度下でも、ゲルマニウムシリサイドと基板との界面粗度を精度向上させ、かつ面抵抗の低いゲルマニウムシリサイドを形成できる。
図6A及び図6Bは、SiGe基板にPtを蒸着した後、RTA処理及び10気圧下で高圧熱処理(High Pressure Annealing:HPA)を2分間行ったサンプルの面抵抗特性を示す図面である。図6Aは、RTA及びHPAによるゲルマニウムシリサイドの面抵抗特性をログスケールで示し、図6Bは、RTA及びHPAによるゲルマニウムシリサイドの面抵抗特性をライナースケールで示す。図6A及び図6Bに示すように、RTA処理を行って得られたサンプルの場合、約400℃以下の温度で相対的に非常に高い抵抗を表すが、これは、約400℃以下の温度は、RTA処理によるゲルマニウムシリサイド(PtSiGe)の形成にほとんど助けにならないためである。RTA処理は、ゲルマニウムシリサイドの形成のために相対的に高い温度を要する。
図6A及び図6Bに示すように、RTA処理を行って得られたサンプルの場合、約600℃の温度で面抵抗が最も低い。これは、RTA処理を行った場合には、非常に高温でRTA処理を行って始めてゲルマニウムシリサイド(PtSiGe)が形成されることを意味する。逆に、本発明の実施形態による高圧熱処理により得られたサンプルの面抵抗は、RTA処理によるものより低く、短時間内に相対的に低い温度(例えば、約300℃)で得られる。したがって、ゲルマニウムシリサイドは、本発明の実施形態による高圧熱処理により相対的に低い温度(例えば、300℃)で形成される。
図7A及び図7Bは、300℃でRTA処理後にウェットエッチングしたサンプルの透過電子顕微鏡(TEM)イメージ及びエネルギー分散型X線分光装置(Energy Disperswive X−ray Spectroscopy:EDS)結果を示す図面である。図7A及び図7Bに示すように、約400℃以下の温度は、RTA工程でゲルマニウムシリサイドの形成に助けにならない。
図8Aは、600℃でRTA処理したサンプルのTEMイメージを示す。図8Bは、約300℃、約10気圧で本発明の実施形態によって熱処理したサンプルのTEMイメージを示す。図8Aでは、600℃でRTA処理を行った場合、ゲルマニウムシリサイド(PtSiGe)が形成されることを示す。しかし、図8Aから分かるように、高温でRTA処理により形成されたゲルマニウムシリサイドの界面及び表面粗度は不良である。
図8Bは、約300℃で本発明の実施形態によるHPAにより形成されるゲルマニウムシリサイド(PtSiGe)を示す。図8Bから分かるように、HPAを行った場合、約600℃の高温でRTA処理を行った場合に比べて、低温でもゲルマニウムシリサイドが形成され、その形成されるゲルマニウムシリサイドの界面及び表面粗度が精度向上する。これから、HPA時にゲルマニウムの局部的な拡散が抑制されつつゲルマニウムシリサイドが形成されるということが分かる。
前記したように、相対的に高圧で行われる熱処理は、ゲルマニウムシリサイドと基板との間の界面粗度を低下させ、ゲルマニウムシリサイドの面抵抗を減少させる。さらに、本発明の実施形態による熱処理は、RTA処理と比較するとき、相対的に低い温度を伴うことができる。したがって、本発明の実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法を適用してソース及びドレイン上にゲルマニウムシリサイドを形成すれば、トランジスタのソース及びドレインに連結されるメタルラインの問題を解決でき、ゲルマニウムシリサイドを適用した高速用トランジスタを実現できる。
前記したような本発明の実施形態によるHPAを適用してゲルマニウムシリサイドを形成した半導体デバイスは、基本的に図9のトランジスタ構造を有する。
図9に示すように、本発明の実施形態による半導体デバイスは、基板11に形成されたソース及びドレイン13,15と、前記基板11上に形成されたゲート電極19と、を備えるトランジスタ10、及び前記した本発明によるHPAにより前記ソース及びドレイン領域13,15上に形成されたゲルマニウムシリサイド部材21,25を備える。前記トランジスタ10は、前記ゲート電極19と基板11との間に形成されたゲート絶縁膜18をさらに備える。前記ゲート絶縁膜18と前記ゲート電極19とは、側壁31,32により取り囲まれる。
前記基板11は、Si基板であり、前記ソース及びドレイン領域13,15は、シリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)からなる。かかる構造は、基板上のソース及びドレイン領域13,15内にシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)をエピタキシ成長させて得られる。
代案として、前記基板11自体がシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)基板でありうる。
前記のように、ソース及びドレイン領域13,15内にシリコンゲルマニウム(Si1−xGe;0<x<1)をエピタキシ成長させるか、または基板11自体をSiGe基板として使用することにより、ソース及びドレイン領域13,15は、SiGeからなる。このソース及びドレイン領域13,15は、所定の不純物でドーピングされて形成されうる。
前記半導体デバイス10面上に前述したような金属層を形成し、本発明の実施形態によるHPAを行えば、ソース及びドレイン領域13,15上に相対的に平坦な界面及び低い面抵抗を有するゲルマニウムシリサイド部材21,25が形成される。
したがって、トランジスタの移動度を向上させるために、ソース及びドレインにSiGeをエピタキシ成長させて圧縮ストレスを調節する方法が最近に高速用トランジスタに適用されているが、本発明の実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法を適用する場合、通常的な高速用トランジスタでは、低い面抵抗を確保するようにシリサイド化に先立ってSiGe上にエピタキシSi薄膜層を必要とする一方、本発明の実施形態によるゲルマニウムシルサイドの形成方法では、付加的なSi薄膜層なしに低い面抵抗が得られるので、半導体デバイスの特性及び収率を向上させる。
以上では、トランジスタ10のソース及びドレイン領域13,15上にゲルマニウムシリサイドを形成する場合について説明及び図示したが、本発明の実施形態がこれに限定されるものではない。
例えば、本発明の実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法は、トランジスタ10のゲート電極19にメタルライン(図示せず)の形成のためのゲルマニウムシリサイドの形成時にも適用され、その他にも、面抵抗を低めるために、界面及び粗度特性に優れたゲルマニウムシリサイドを適用する必要がある多様なデバイスに対して適用される。
本発明の実施形態によるHPA方法を適用してゲルマニウムシリサイドを形成した半導体デバイスは、マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセシング、中央処理装置、ロジックデバイスなどでロジックの単位セルとして使われるトランジスタ自体となり、その他にも低い面抵抗条件を要求する多様なLSIロジック回路及びその素子となりうる。結果的に、本発明の実施形態によるトランジスタは、さらに速い速度及びさらに低いパワー消耗を提示できる。
本発明は、例えばトランジスタやロジック回路関連の技術分野に適用可能である。
シリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、Si基板上に金属を蒸着した構造を示す。 SiGe基板にゲルマニウムシリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、SiGe基板上に金属を蒸着した構造を示す。 SiGe基板にシリサイドの形成のために現在利用される熱処理前の積層構造を示す図面であって、SiGe基板上にSi層を形成した後で金属を蒸着した構造を示す。 図1Aないし図1Cの構造をRTA処理して形成したシリサイド及びゲルマニウムシリサイドの面抵抗特性を示す図面である。 RTAを行うことにより形成されるゲルマニウムシリサイドの形成過程を示す図面である。 RTAを行うことによるシリサイド及びゲルマニウムシリサイドを有するダイオード素子のI−V特性を示す図面である。 本発明の一実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるゲルマニウムシリサイドの形成方法を概略的に示す図面である。 SiGe基板にPtを蒸着した後、RTA処理及び10気圧下でHPAを2分間行ったサンプルの面抵抗特性を示す図面であって、ログスケールで二つのサンプルの面抵抗を示す。 SiGe基板にPtを蒸着した後、RTA処理及び10気圧下でHPAを2分間行ったサンプルの面抵抗特性を示す図面であって、ライナースケールで二つのサンプルの面抵抗を示す。 300℃でRTA処理後にウェットエッチングしたサンプルのTEMイメージである。 300℃でRTA処理後にウェットエッチングしたサンプルのEDS結果を示す図面である。 600℃でRTA処理したサンプルのTEMイメージである。 300℃、10気圧でHPAしたサンプルのTEMイメージである。 本発明のHPAを適用してゲルマニウムシリサイドを形成した半導体デバイスの一実施形態を示す図面である。
符号の説明
10 トランジスタ
11 基板
13 ソース領域
15 ドレイン領域
18 ゲート絶縁膜
19 ゲート電極
21,25 ゲルマニウムシリサイド部材

Claims (16)

  1. 少なくとも一部領域がシリコンゲルマニウムからなる基板を準備するステップと、
    前記シリコンゲルマニウム上に金属層を形成するステップと、
    前記金属層が形成された基板を高圧で熱処理してゲルマニウムシリサイドを形成するステップと、を含むことを特徴とするゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  2. 前記熱処理は、3気圧ないし100気圧の圧力下で行われることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  3. 前記熱処理は、10気圧の圧力で行われることを特徴とする請求項2に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  4. 前記熱処理は、100ないし600℃の温度で行われることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  5. 前記熱処理は、300℃の温度で行われることを特徴とする請求項4に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  6. 前記熱処理は、ゲルマニウムシリサイド化工程であることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  7. 前記金属層は、単一層または複数の層が積層された構造で形成されることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  8. 前記金属層は、単一元素からなるか、または複数の元素の合金からなることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  9. 前記基板は、シリコンゲルマニウム基板であることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  10. 前記基板は、一部領域にドーピング領域を備え、
    前記金属層は、ドーピング領域上に形成されることを特徴とする請求項9に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  11. 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項1に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  12. 前記シリコンゲルマニウムからなる前記基板の領域はドーピングされたことを特徴とする請求項11に記載のゲルマニウムシリサイドの形成方法。
  13. ソース領域及びドレイン領域が形成された基板と、前記基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ソース領域及びドレイン領域上に請求項1ないし8のうちいずれか一項に記載の方法により形成されたゲルマニウムシリサイドと、を備えることを特徴とする半導体デバイス。
  14. 前記基板は、シリコン基板であり、
    前記第1及び第2ドーピング領域は、エピタキシ成長されたシリコンゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体デバイス。
  15. 前記ソース領域及びドレイン領域は、不純物でドーピングされたことを特徴とする請求項13に記載の半導体デバイス。
  16. 前記基板は、シリコンゲルマニウム基板であることを特徴とする請求項13に記載の半導体デバイス。
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