JP2819918B2 - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高融点金属シリサイド
層を有する半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に
自己整合的に高融点金属シリサイドを形成する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、従来の自己整合的高融点金属シリ
サイド層の形成方法について説明する。図８乃至図１１
は従来の半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示す
断面図である。

【０００３】先ず、図８に示すように、半導体基板２１
の一主面上に素子分離領域２２を選択的に形成する。ま
た、半導体基板２１上の素子分離領域２２に仕切られた
素子形成領域の適所にゲート絶縁膜２３を選択的に形成
する。更に、このゲート絶縁膜２３上にゲート電極２４
を形成し、このゲート電極２４及びゲート絶縁膜２３の
側面にサイドウォール２７を形成する。

【０００４】次に、図９に示すように、例えば、イオン
注入法等により不純物元素を導入して、半導体基板２１
の表面に拡散層２８を形成する。

【０００５】次に、図１０に示すように、チタン層２９
を、例えば、スパッタリング法により、全面に堆積させ
る。このチタン層２９の厚さは、例えば、約３００乃至
１０００Åである。

【０００６】次に、窒素又はアンモニア雰囲気中におい
て、第１の熱処理を施すことにより、チタン層２９のチ
タンと拡散層２８及びゲート電極２４の珪素とを反応さ
せて図１１に示すようにチタンシリサイド層３０を形成
する。この第１の熱処理の条件は、例えば、温度が約６
００乃至７００℃、時間が約３０乃至６０秒であるが、
この熱処理条件の最適値はチタン層２９の堆積膜厚及び
温度等の条件等によって変動する。

【０００７】次に、チタンと珪素との反応及びチタンと
酸化珪素との反応の相違と、チタンシリサイド層３０が
拡散層２８及びゲート電極２４上に形成される機構につ
いて説明する。

【０００８】図１２は熱処理中の珪素上での反応、即ち
拡散層２８及びゲート電極２４上での反応の状況を示す
断面図である。図１２に示すように、窒素又はアンモニ
ア雰囲気中における第１の熱処理により、チタン層２９
と拡散層２８及びゲート電極２４との界面において、チ
タンと珪素との反応が進み、チタンシリサイド層３０が
形成される。一方、チタン層２９の表面においては、チ
タンと雰囲気中の窒素又はアンモニアとの反応が進行
し、窒化チタン層３１が形成される。未反応のチタン層
２９は、その厚さが第１の熱処理時間の経過と共に薄く
なり、最終的にはチタンシリサイド層３０が窒化チタン
層３１に接触して、未反応のチタン層２９は消滅し、そ
れ以上、反応は進まなくなる。

【０００９】また、図１３は熱処理中の酸化珪素上での
反応、即ち素子分離領域２２及びサイドウオール２７上
での反応の状況を示す断面図である。図１３に示すよう
に、この酸化珪素上での反応は、前述の珪素上での反応
と同様に、チタン層２９の表面からは窒化チタン層３１
が形成される。しかしながら、酸化珪素からなる素子分
離領域２２及びサイドウォール２７とチタン層２９との
界面においては、反応はほとんど進行せず、僅かに酸化
珪素中の酸素とチタンとが反応して、極めて薄い酸化チ
タン層３２が形成されるのみである。従って、未反応の
チタン層２９が無くなるまで熱処理した後には、素子分
離領域２１及びサイドウオール２７の酸化珪素上に絶縁
体である薄い酸化チタン層３２及び窒化チタン層３１の
みが形成される。

【００１０】このようにして、第１の熱処理により、チ
タンシリサイド層３０を拡散層２８及びゲート電極２４
上に形成することができる。

【００１１】しかし、この第１の熱処理だけでは珪素か
らなるゲート電極２４及び拡散層２８並びに酸化珪素か
らなる素子分離領域２２及びサイドウォール２７の上に
は導電体である窒化チタン層３１が形成されているた
め、ゲート電極２４と拡散層２８との間の絶縁はとれて
いない。そこで、上述の熱処理を施したものを、過酸化
水素、アンモニア及び水の混合液に曝すことにより窒化
チタン層３１のみを除去する。これにより、ゲート電極
２４と拡散層２８との間が絶縁される。この時点でのチ
タンシリサイド層３０の抵抗率は、例えば、約１１０μ
Ωｃｍである。

【００１２】窒化チタン層３１を除去した後、約８００
℃の温度で第２の熱処理を約３０秒間実施する。この第
２の熱処理はチタンシリサイド層３０の抵抗を低下させ
るために実施するものである。この第２の熱処理によ
り、チタンシリサイド層３０の抵抗率は、例えば、約１
５μΩｃｍとなる。前述の第１の熱処理温度は約６００
乃至７００℃であるが、この熱処理温度を、例えば約８
００℃に変更して第１の熱処理を実施した場合、抵抗率
が約１５μΩｃｍのチタンシリサイド層３０が得られ
る。

【００１３】しかし、このように第１の熱処理温度が高
いと、図１４に示すように、素子分離領域２２又はサイ
ドウォール２７の周縁部、即ち、珪素と酸化珪素との境
界部において、珪素がチタン層２９中を拡散し、酸化珪
素上のチタン層２９と反応して、酸化珪素上にもチタン
シリサイド層３０が形成されるため、分離されるべき拡
散層２８同士又は拡散層２８及びゲート電極２４等がチ
タンシリサイド層３０により電気的に接続されてしまう
という危険性が生じる。従って、第１の熱処理温度は７
００℃を越えて上げることができず、第２の熱処理にお
いて温度を約８００℃に上げてチタンシリサイド層３０
の抵抗を低下させている。

【００１４】これらの工程により、図１１に示すよう
に、ゲート電極２４及び拡散層２８の表面に自己整合的
にチタンシリサイド層３０が形成され、半導体集積回路
装置が完成する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た半導体集積回路装置の製造方法には以下に示す問題点
がある。従来技術によれば、チタン層２９を堆積する前
に、半導体基板２１の表面に不純物を導入して拡散層２
８を形成している。例えば、ヒ素を含む半導体基板２８
上にチタン層２９を堆積し、第１の熱処理をかける場
合、２×１０²⁰／ｃｍ³ 以上の濃度のヒ素が半導体基板
２８の珪素中に含まれると、チタンシリサイド層３０が
形成されない。ヒ素濃度がそれ以下の場合であっても、
チタンシリサイド層３０の形成の速さは、ヒ素を含まな
い場合及びヒ素の代わりにホウ素を含む場合よりも遅く
なる。しかも、このチタンシリサイド層３０の形成が遅
くなるのは、配線の線幅が狭いほど顕著になる。

【００１６】また、第１の熱処理温度を上げることによ
り、チタンシリサイド層３０は形成され得るが、前述の
如く、チタン層２９中を珪素が拡散し素子分離領域２２
へもチタンシリサイド層３０が形成されるため、第１の
熱処理温度を上げることは集積回路を形成するという観
点からはできない。また、これも配線の線幅が狭いほ
ど、チタンシリサイド層３０が素子分離領域２２へ形成
され易くなる。

【００１７】なお、半導体基板２１の表面への不純物導
入をせずにチタンシリサイド層３０を形成し、その後イ
オン注入法により不純物導入を実施して拡散層２８を形
成すれば、チタンシリサイド層３０を形成するときの珪
素中の不純物濃度を低い値に抑えることができるため、
上述のチタンシリサイド層３０が形成されないか、又は
形成されにくいという問題点は生じない。しかし、イオ
ン注入時にチタン層２９がノックオンされることによ
り、拡散層２８中のチタン濃度が増大することとなり、
漏れ電流の増大を招く。このため、チタンシリサイド層
３０の形成後に拡散層２８を形成することもできない。

【００１８】従って、不純物濃度が高い珪素上ではチタ
ンシリサイド層３０が形成されないか、又は、形成され
難く、しかも、この影響は配線の幅が狭くなるほど顕著
となるという第１の問題点がある。

【００１９】また、図１５は、従来の半導体集積回路装
置の製造方法における第１の熱処理後、窒化チタン層３
１を除去したときの工程を示す断面図である。実際上、
チタンシリサイド層３０は数百Å程度の表面の凹凸を有
しており、膜厚も一様でなくばらついている。そして、
この凹凸及び膜厚の非一様性が第２の熱処理又はその後
の工程での熱処理において強調され、部分的にチタンシ
リサイド層３０が途切れてしまう。特に、配線の幅が狭
い場合、チタンシリサイド層３０により形成される配線
が断線し、本来、低抵抗である配線が高抵抗となる場合
もあるため、製品の歩留が悪化する。このように、チタ
ンシリサイド層３０の凹凸及び膜厚の非一様性が熱処理
により強調され、低抵抗であるチタンシリサイド層３０
により形成される配線等の抵抗が上昇するという第２の
問題点がある。

【００２０】更に、ＣＭＯＳ等の回路を半導体基板２１
上に形成する場合、拡散層２８はＮ型及びＰ型の双方を
ホトレジスト等のマスクを用いて、選択的に不純物元素
を導入することにより形成する。次に、チタン層２９を
堆積し第１の熱処理をかけるのであるが、チタンシリサ
イド層３０が形成される速さが、一般にＮ型不純物を含
む珪素上ではＰ型不純物を含む場合より遅い。従って、
Ｎ型拡散層及びＰ型拡散層の表面に形成されるチタンシ
リサイド層３０の厚さは、前者が後者に比べて薄くな
る。このため、半導体集積回路の設計面で求められる層
抵抗を有するチタンシリサイド層３０をＮ型拡散層を基
準に形成した場合、Ｐ型拡散層の表面に形成されるチタ
ンシリサイド層３０の厚さがＮ型拡散層の表面に形成さ
れるチタンシリサイド層３０の厚さより厚くなる。ま
た、第２の熱処理を実施した後のチタンシリサイド層３
０の層抵抗は、抵抗率がＰ型拡散層表面及びＮ型拡散層
表面のいずれもほぼ同じであることより、チタンシリサ
イド層３０の膜厚により決定する。従って、Ｐ型拡散層
の表面に形成されるチタンシリサイド層３０の層抵抗は
Ｎ型拡散層の表面に形成されるものより小さくなるた
め、設計基準は満たされる。しかし、トランジスタ性能
の確保という面からは好ましくない。それは、図１１に
示すように、チタンシリサイド層３０が拡散層２８の表
面に形成される場合、チタンシリサイド層３０及び拡散
層２８の界面はゲート絶縁膜２３より下部に位置してい
る。Ｐ型拡散層には、Ｎ型拡散層より厚いチタンシリサ
イド層３０が形成されるため、Ｐ型拡散層はＮ型拡散層
より深くしなければならない。この深い拡散層は、浅い
拡散層より同一チャネル長において短チャネル効果が顕
著であるため、Ｐチャネルトランジスタの設計が短チャ
ネルとなるほど、難しくなる。このように、Ｎ型拡散層
及びＰ型拡散層の表面に形成されるチタンシリサイド層
３０の膜厚の相違に起因して、Ｐ型拡散層をＮ型拡散層
より深くせざるをえなくなることにより、Ｐチャネルト
ランジスタの短チャネル効果がＮチャネルトランジスタ
より顕著となり、Ｐチャネルトランジスタの設計が難し
くなるという第３の問題点がある。

【００２１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、不純物濃度が高い珪素上でも金属シリサイ
ド層を形成でき、この金属シリサイド層の抵抗率を増加
させず、またＰ型及びＮ型拡散層に形成される前記金属
シリサイド層の膜厚を相互に同程度にすることができる
半導体集積回路装置の製造方法を提供することを目的と
する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体集積
回路装置の製造方法は、シリコン基板の拡散層上に高融
点金属シリサイド層を備えた半導体集積回路装置の製造
方法において、シリコン基板に高濃度不純物拡散層を形
成する工程と、この高濃度不純物拡散層の表面の少なく
とも一部を金属シリサイド形成予定領域としてイオン注
入により非晶質化する工程と、少なくとも、この非晶質
化した金属シリサイド形成予定領域にシリサイド形成金
属を堆積し、熱処理により金属シリサイド層を形成する
工程とを有することを特徴とする。

【００２３】

【作用】本発明においては、イオン注入法により半導体
基板上の拡散層等の金属シリサイド形成予定領域を非晶
質化し、次いで、半導体基板上の全面にチタン等のシリ
サイド形成金属を堆積した後、熱処理する。このよう
に、半導体基板上の金属シリサイド形成予定領域は予め
非晶質化されているために、ミクロ的に見て、特別な方
向に対する特異性が無く、完全に不規則な組織として形
成されている。従って、非晶質化された領域は、不純物
の偏析も減少しているので、不純物濃度も均一化された
金属シリサイド層を形成することができ、また、熱処理
によるシリサイド形成金属と珪素との反応を半導体基板
の板厚方向に対して均等に進行させることができる。従
って、反応によって形成される金属シリサイド層の膜厚
も一様になり、凹凸も小さくすることができる。これに
より、配線の線幅が狭い場合においても線幅が広い部分
と同程度の膜厚が形成されて、抵抗率も均一となる。更
に、Ｎ型拡散層及びＰ型拡散層に形成される金属シリサ
イド層の膜厚も、同程度にすることができる。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。

【００２５】図１乃至図４は本発明の第１の実施例に係
る半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示す断面図
である。

【００２６】先ず、図１に示すように、半導体基板１の
一主面上に素子分離領域２を選択的に形成する。次に、
半導体基板１の表面上の素子分離領域２により仕切られ
た素子形成領域にゲート絶縁膜３及びゲート電極４を積
層形成し、ゲート電極４及びゲート絶縁膜３を所定の形
状にパターニングする。次いで、このゲート電極４及び
ゲート絶縁膜３の側面にサイドウォール７を形成する。

【００２７】次に、図２に示すように、例えば、イオン
注入法等により基板１の表面に不純物元素を導入して半
導体基板１の表面に拡散層８を形成する。その後、例え
ば、イオン注入法等によりゲート電極４及び拡散層８の
表面を非晶質化する。

【００２８】次に、図３に示すように、チタン層９を、
例えば、スパッタリング法により全面に堆積する。チタ
ン層９の厚さは、例えば、約３００乃至１０００Åにす
る。

【００２９】次に、窒素又はアンモニア雰囲気中で第１
の熱処理を施すことにより、チタン層９のチタンと拡散
層８及びゲート電極４の珪素とを反応させて、図４に示
すようにチタンシリサイド層１０及び窒化チタン層（図
示せず）を形成する。第１の熱処理の条件は、例えば、
温度が約６００乃至７００℃、時間が約３０乃至６０秒
である。この熱処理条件の最適値はチタン層９の堆積膜
厚及び温度等の条件等によって変動する。

【００３０】更に、この熱処理を施したものを、過酸化
水素、アンモニア及び水の混合液に曝すことにより、珪
素及び酸化珪素上の導電体である窒化チタン層を除去す
る。これにより、ゲート電極４と拡散層８との間が絶縁
される。

【００３１】この窒化チタン層を除去した後、例えば約
８００℃の温度で約３０秒間加熱することにより、第２
の熱処理を実施する。これにより、チタンシリサイド層
６の抵抗を低減することができる。

【００３２】上記の方法により、自己整合的に拡散層８
及びゲート電極４の表面にチタンシリサイド層１０を形
成することができる。

【００３３】本実施例においては、拡散層８及びゲート
電極４の表面を非晶質化し、この非晶質化した表面にチ
タン層９を堆積した後、熱処理を施してチタンシリサイ
ド層１０を形成している。従って、拡散層８及びゲート
電極４の表面は、非晶質化されているために、ミクロ的
に見て、特別な方向に対する特異性が無く、完全に不規
則な組織として形成されている。従って、不純物の偏析
も減少しているので、不純物濃度も均一化されたチタン
シリサイド層１０を形成することができ、更に、第１の
熱処理によるチタン層９のチタンとゲート電極４及び拡
散層８の珪素との反応を半導体基板１の板厚方向に対し
て均等に進行させることができる。従って、反応によっ
て形成されるチタンシリサイド層１０の膜厚も一様にな
り、凹凸も小さくすることができる。これにより、配線
の線幅が狭い場合においても、線幅が広い部分と同程度
の膜厚が形成されて、抵抗率も均一となる。更に、Ｎ型
拡散層及びＰ型拡散層に形成されるチタンシリサイド層
１０の膜厚も同程度にすることができる。

【００３４】図７は拡散層８の表面に形成するチタンシ
リサイド層１０の線幅と層抵抗との関係を、本実施例方
法により製造された半導体集積回路装置及び非晶質化を
実施していない従来方法により製造された半導体集積回
路装置について比較して示すグラフ図である。本実施例
方法及び従来方法は非晶質化の工程以外は全て同一の工
程である。図７より明らかなように、非晶質化を実施し
ている本実施例方法により製造された半導体集積回路装
置は、非晶質化を実施していない従来方法により製造さ
れた半導体集積回路装置より、全ての線幅において低い
層抵抗を有している。また、層抵抗の線幅依存性も本実
施例の方が小さいことがわかる。従来においては、線幅
が約０．５μｍになると約５０Ω／口の層抵抗となり、
チタンシリサイド層１０は形成されていないか、又は、
一部分のみチタンシリサイド層１０が形成され、他の部
分においてはチタンシリサイド層１０が形成されておら
ず、拡散層自体の層抵抗となっている。

【００３５】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図５及び図６は、本発明の第２の実施例に係る半
導体集積回路装置の製造方法の一工程を示す断面図であ
る。図５に示すように、ゲート電極４が多結晶珪素層５
及びタングステンシリサイド層６からなる二層構造を有
している。その他は第１の実施例と同様である。

【００３６】本実施例においては、第１の実施例と同様
に、半導体基板１の表面にイオン注入することにより拡
散層８の表面を非晶質化した後、チタン層９（図３参
照）を全面に堆積して第１の熱処理を実施し、窒化チタ
ン層の除去及び第２の熱処理を実施し、図６に示すよう
に、拡散層８の表面にチタンシリサイド層１０を形成す
る。ゲート電極４の表面にはタングステンシリサイド層
６が存在するため、チタンシリサイド層は形成されな
い。このように、拡散層８の表面にのみチタンシリサイ
ド層１０を形成する本実施例においても、第１の実施例
と同様の効果を有する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明方法は、拡
散層を非晶質化した後、金属シリサイド層を形成するの
で、反応を均等に進行させることができ、金属シリサイ
ド層の凹凸を小さくし、膜厚のばらつきも小さくするこ
とができる。また、珪素が高濃度の不純物を含む場合に
おいても、金属シリサイド層を形成することができる。
更に、線幅が狭い場合においても、抵抗率を線幅が広い
部分と層抵抗を同程度にすることができ、従来のような
抵抗率の増大は見られなくなる。更にまた、拡散層に含
まれる不純物がＰ型であってもＮ型であっても両者の間
の膜厚の差を少なくすることができ、これにより、半導
体集積回路の設計を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体集積回路装
置の製造方法における一工程を示す断面図である。

【図２】同じく第１の実施例方法における他の一工程を
示す断面図である。

【図３】同じく第１の実施例方法における他の一工程を
示す断面図である。

【図４】同じく第１の実施例方法における他の一工程を
示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体集積回路装
置の製造方法における一工程を示す断面図である。

【図６】同じく第２の実施例方法における他の一工程を
示す断面図である。

【図７】チタンシリサイド層の線幅と層抵抗との関係を
本実施例方法により製造された半導体集積回路装置及び
非晶質化を実施していない従来方法により製造された半
導体集積回路装置について比較して示すグラフ図であ
る。

【図８】従来の半導体集積回路装置の製造方法における
一工程を示す断面図である。

【図９】同じくその従来方法における他の一工程を示す
断面図である。

【図１０】同じくその従来方法における他の一工程を示
す断面図である。

【図１１】同じくその従来方法における他の一工程を示
す断面図である。

【図１２】同じくその従来方法における第１の熱処理中
の拡散層及びゲート電極上での反応の状況を示す断面図
である。

【図１３】同じくその従来方法における第１の熱処理中
の素子分離領域及びサイドウォール上での反応の状況を
示す断面図である。

【図１４】同じくその従来方法におけるチタンシリサイ
ド層が素子分離領域上に成長する状況を示す断面図であ
る。

【図１５】従来の半導体集積回路装置のチタンシリサイ
ド層の凹凸及び膜厚の非一様性を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２１；半導体基板 ２，２２；素子分離領域 ３，２３；ゲート絶縁膜 ４，２４；ゲート電極 ５；多結晶珪素層 ６；タングステンシリサイド層 ７，２７；サイドウォール ８，２８；拡散層 ９，２９；チタン層 １０，３０；チタンシリサイド層 １５；非晶質領域 ３１；窒化チタン層 ３２；酸化チタン層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板の拡散層上に高融点金属シ
   リサイド層を備えた半導体集積回路装置の製造方法にお
   いて、シリコン基板に高濃度不純物拡散層を形成する工
   程と、この高濃度不純物拡散層の表面の少なくとも一部
   を金属シリサイド形成予定領域としてイオン注入により
   非晶質化する工程と、少なくとも、この非晶質化した金
   属シリサイド形成予定領域にシリサイド形成金属を堆積
   し、熱処理により金属シリサイド層を形成する工程とを
   有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記金属シリサイド層がチタンシリサイ
   ド層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体集
   積回路装置の製造方法。