JP2945967B2 - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイスの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスに
関し、特にステップカバレージを改善し、かつ固有抵抗
特性を向上させることができる半導体デバイスの製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、半導体デバイスが高集積化され
るにつれ配線の線幅が減少する。このため、配線の抵抗
が増加し、デバイスの動作速度が遅くなる等の問題が生
じる。又、配線の抵抗が増加する問題を解決するために
配線の線幅を減少させて厚さを厚くする方法もあるが、
この場合は配線のステップカバレージが悪くなり、その
上、工程が難しく、収率が低下するという問題が生じ
る。このような問題を解決するため、従来はポリシリコ
ン層上にタングステンシリサイドWSix 又はチタンシ
リサイドTiSi2 又はコバルトシリサイドCoSi2
等の高融点金属シリサイドを形成して、固有抵抗が増加
することを防止しようとした(ポリシリコン層上に高融
点金属シリサイドを形成した二重構造を「ポリサイド」
と呼ぶ)。しかし、この方法では固有抵抗の減少とステ
ップカバレージ特性改善はいずれもわずかであり、これ
らをより一層改善したポリサイド形成方法が要求されて
いる。
【0003】以下、添付図面に基づき従来の半導体デバ
イスの製造方法を説明する。図1は従来の第1方法の半
導体デバイスの製造方法を示す工程断面図であり、図2
は従来の第2方法の半導体デバイスの製造方法を示す工
程断面図である。半導体デバイスの固有抵抗を減少さ
せ、ステップカバレージを改善させるために用いられる
ポリサイド工程は、ゲート電極及びビットラインの形成
時に使用することができる。まず、ポリサイドでゲート
電極を形成する従来の第1方法の半導体デバイスの製造
方法は次の通りである。図1aに示すように、半導体基
板1に第1酸化膜2を堆積し、その上にポリシリコン層
3を堆積する。この際、ポリシリコン層3は水溶性であ
り、P型でドープされている。ここで、ポリシリコン層
3のドープは、ドープされないポリシリコン層を堆積し
てからイオン注入を施して行い、又はPOCl3 堆積
(POCl3 ドープ)又はポリシリコン層を堆積しなが
らPH3 等のドープガスを連続的に注入して形成する。
【0004】図1bに示すように、ポリシリコン層3形
成過程でポリシリコン層3上に残存することのある自然
酸化膜(又はガラス)を除去するために、上記のように
して形成された半導体基板1をHF溶液に浸けて洗浄す
る。この後、SiH4 又はSiH2Cl2にフッ化タング
ステンWF6 ガスを注入した気相成長法でタングステン
シリサイド層4を形成する。すなわちポリサイド層を形
成する。図1cに示すように、ゲート電極を形成するた
めのマスクを用いてタングステンシリサイド層4、ポリ
シリコン層3、第1酸化膜2をフォトリソグラフィで異
方性エッチングする。これにより、ゲートキャップシリ
サイド層4a、ゲート電極3a、ゲート酸化膜2aが積
層した形状が形成される。そして、ゲート電極3aの両
側の半導体基板1にLDD領域5を形成し、全面に第2
酸化膜を堆積し、異方性エッチングで第2酸化膜を除去
してゲートキャップシリサイド層4a、ゲート電極3
a、ゲート酸化膜2aの両側面に側壁絶縁膜6を形成す
る。この後、ゲート電極3aの下部を除いた側壁絶縁膜
6の両側の半導体基板1に高濃度不純物イオンを注入し
てソース/ドレイン領域7を形成する。
【0005】次に、ポリサイド工程がビットライン配線
の形成に使用された従来の第2方法による半導体デバイ
スの製造方法を説明する。図2aに示すように、P型半
導体基板1の一領域にN型不純物注入層8を形成する。
そして、半導体基板1に気相成長法で層間絶縁層9を堆
積し、N型不純物注入層8が露出されるように層間絶縁
層9を選択的に除去してコンタクトホール10を形成す
る。図2bに示すように、全面にポリシリコン層11を
形成する。このポリシリコン層11は水溶性であり、P
型でドープされている。ここで、ポリシリコン層11の
ドープは、ポリシリコン層11を堆積してからイオン注
入を施して行い、又はPOCl3堆積(POCl3ドー
プ)又はポリシリコン層を堆積しながらPH3等のドー
プガスを連続的に注入してドープする。
【0006】図2cに示すように、ポリシリコン層11
形成過程でポリシリコン層11上に残存する自然酸化膜
(又はガラス)をHF溶液に浸けて洗浄する。この後、
SiH4 又はSiH2Cl2にフッ化タングステンWF6
ガスを注入してポリシリコン層11にタングステンシリ
サイド層12を形成した後、選択的にパターニングして
ポリサイド層からなるビットライン配線を形成する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
デバイスの製造方法は以下のような問題点があった。従
来のポリシリコン層上にタングステンシリサイドを堆積
して形成した半導体デバイスのゲート電極や配線は、タ
ングステンシリサイドが非晶質化されず且つ結晶粒径が
小さいため、ポリシリコン層の固有抵抗を低くするには
限界があった。このため、線幅が0.25μm以下に減
少する高集積デバイスではポリシリコン層の固有抵抗が
余り減少しなかった。本発明は、上記の問題点を解決す
るためになされたものであり、固有抵抗を減少させ類こ
とができる金属シリサイド形成方法及びこれを用いた半
導体デバイスの製造方法を提供することが目的である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体デバイス
の製造方法は、基板上にシリコン層を形成し、その上に
結晶質金属シリサイド層を形成したのち、その結晶質金
属シリサイド層にイオンを注入して非晶質化された金属
シリサイド層を形成し、さらにその非晶質化された金属
シリサイド層を熱処理して再び結晶化することを特徴と
する。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明実
施形態の半導体デバイスの製造方法を説明する。図3は
本発明の第1実施形態の高融点金属シリサイドを形成す
る方法による半導体デバイスの製造方法を示す工程断面
図であり、図4〜図5は本発明の第2実施形態の半導体
デバイスの製造方法を示す工程断面図である。半導体デ
バイスの固有抵抗を減少させるために使用されるポリサ
イド形成工程は主にゲート電極及びビットライン配線を
形成するに利用できる。
【0010】以下、ゲート電極の形成にポリサイド形成
工程を適用した本発明実施形態の例を説明する。まず、
本発明の第1実施形態の半導体デバイスの製造方法は、
図3aに示すように、半導体基板20に第1酸化膜21
を堆積する。この後、ICT(Integrated Cluster Too
l)を用いて660℃且つ80Torr でドープされたポリ
シリコン層22を1000Åの厚さに堆積する。このポ
リシリコン層22は、50%のSiH4と1%のPH3
含むH2 ガスをソースガスとして堆積する。次いで、ド
ープされたポリシリコン層22上にドープされないポリ
シリコン層23を200Å程度の厚さに堆積する。さら
にその上にソースガスとしてWF6やSiH2Cl2 を使
用してタングステンシリサイド層24を形成する。この
タングステンシリサイド層24はソースガスとしてWF
6やSiH4を使用して形成してもよい。
【0011】このように、タングステンシリサイド層2
4の下にドープされたポリシリコン層22、ドープされ
ないポリシリコン層を積層して形成するのは、後工程で
タングステンシリサイド層24にイオンを注入して非晶
質化されたタングステンシリサイド層を形成する際、非
晶質化されたタングステンシリサイド層に注入されたイ
オンが損失するのを防止するためである。
【0012】このドープされたポリシリコン層22は8
00Å程度の厚さに堆積し、ドープされないポリシリコ
ン層23は200Å程度の厚さに堆積し、タングステン
シリサイド層24は1000Å程度の厚さに堆積する。
又は、ドープされたポリシリコン層22を300Å程度
の厚さに堆積し、ドープされないポリシリコン層23は
200Å程度の厚さに堆積し、タングステンシリサイド
層24は2000Å程度の厚さに堆積してもよい。いず
れにしても、タングステンシリサイド層24は1000
〜2000Å程度の厚さになるように形成する。
【0013】図3bに示すように、タングステンシリサ
イド層24にN型のリンイオンを50KeVのエネルギ
ーで1E15〜8E15cm-3に注入して非晶質化させる。こ
のリンを注入するエネルギーは80KeVにしてもよ
い。この後、900℃程度の温度で30分間熱処理工程
を施して再結晶化させて結晶粒径が大きなタングステン
シリサイド層24aを形成する。ここで、非晶質化され
たタングステンシリサイド層24の熱処理工程は400
〜1100℃の範囲で行われる。このとき、N型のリン
イオンでなく、P型のヒ素イオン又はボロンイオンをそ
れぞれ70KeVのエネルギー、20KeVのエネルギ
ーで1E15〜8E15cm-3程度注入した後熱処理工程を施
して結晶粒径が大きなタングステンシリサイド層24a
を形成してもよい。又は、アルゴンイオンを70KeV
のエネルギーで注入した後熱処理を行って形成してもよ
い。
【0014】図3cに示すように、ゲート電極を形成す
るためのマスクを用いて第1酸化膜21、ドープされた
ポリシリコン層22、ドープされないポリシリコン層2
3、結晶粒径が大きなタングステンシリサイド層24a
が所定の幅で積層されるように異方性エッチングする。
これにより、ゲートキャップシリサイド層24b、ゲー
ト電極22a、23a、ゲート酸化膜21aが形成され
る。そして、ゲート電極22a、23aの両側の半導体
基板20にLDD領域26を形成し、全面に第2酸化膜
を堆積し、異方性エッチングで第2酸化膜を選択的に除
去してゲートキャップシリサイド層25a、ゲート電極
22a、23a、ゲート酸化膜21aの側面に側壁スペ
ーサ25を形成する。この後、側壁スペーサ25の両側
に高濃度不純物イオンを注入してソース/ドレイン領域
27を形成する。上記中、タングステンシリサイド層2
4は、ドープされたポリシリコン層を堆積した後HF洗
浄を施した後に堆積してもよい。
【0015】次に、上記のように1000Å程度の厚さ
を有するタングステンシリサイド層24に5E15cm-3
濃度となるようにイオン注入を行ったときのタングステ
ンシリサイド層24の非晶質特性を説明する。図6にお
いて、(a)はイオンが注入されないタングステンシリ
サイド層をXRD(X-ray Diffraction)で分析したデー
タを示し、(b)はリンイオンが注入されたタングステ
ンシリサイド層24をXRDで分析したデータを示し、
(c)はボロンイオンが注入されたタングステンシリサ
イド層24をXRDで分析したデータを示し、(d)は
ヒ素イオンが注入されたタングステンシリサイド層24
をXRDで分析したデータを示し、(e)はアルゴンイ
オンが注入されたタングステンシリサイド層24をXR
Dで分析したデータを示す。タングステンシリサイド層
の2θ(角度)が約30゜付近、そして40゜付近でX
線の光強度が強く表れる。すなわち回折される。これは
タングステンシリサイド層が(111)の結晶方位を示
す結晶状態であることを示す。一方図のように、アルゴ
ンやリンイオン注入を行ったタングステンシリサイドの
場合は回折される箇所がなく、タングステンシリサイド
層24が完全に非晶質化されていることを示している。
また、ボロンやヒ素イオンを注入したものは非晶質化が
かなり進んでいることが理解されるであろう。
【0016】図7は、タングステンシリサイド層24に
濃度を異にしてイオンを注入した場合におけるイオン注
入濃度に応ずる固有抵抗の特性を示す。図によれば、イ
オン濃度が1E15cm-3以上である場合には全て固有抵抗
が急激に減少する。さらにイオン濃度が増加すると固有
抵抗が徐々に減少する。このような現象は、1E15cm-3
で非晶質化が起こるということを意味する。
【0017】図8は、タングステンシリサイド層24に
イオン注入し、900℃で30分間熱処理した後のイオ
ンの濃度変化に応ずる固有抵抗の特性を示す。図に示す
ように、ヒ素、ボロン、リンイオンはイオンの濃度が増
加すればするほど固有抵抗が減少する。減少程度は、リ
ンイオンを80KeVのエネルギーで注入した場合が最
も大きい。そして、ヒ素又はボロンイオンを注入する場
合には化合物が形成される。一方、アルゴンイオンを注
入した場合にはイオンの濃度が増加すればするほど固有
抵抗が増加するが、この理由は不活性特性を有するアル
ゴンArが熱処理工程過程で分離されてボイドを形成す
るからである。この実験データを検討すると、ゲート電
極の抵抗減少の側面ではリンイオンを5E15cm-3以上イ
オン注入することが好ましい。
【0018】次に、タングステンシリサイド層をそれぞ
れ1000Åの厚さになるよう堆積した後にPイオンを
50KeVで注入したとき、そして1500Åの厚さに
なるよう堆積した後Pイオンを80KeVで注入したと
きのゲート電極22a、23aの固有抵抗特性と、上記
と同条件で最小線幅を0.25μmにした場合のゲート
電極22a、23aの固有抵抗特性を図9、図10に示
す。この図によれば、1500Åの厚さに堆積したタン
グステンシリサイド層に80KeVでイオン注入して形
成するゲート電極の固有抵抗が一番小さく表れた。
【0019】次いで、本発明の第2実施形態の半導体デ
バイスの製造方法を説明する。本発明の第2実施形態
は、第1実施形態により非晶質化されたタングステンシ
リサイド層を、2重ゲートを使用して形成するCMOS
トランジスタに適用した場合である。本発明の第2実施
形態は、図4aに示すように、半導体基板30に第1酸
化膜31を50Å程度の厚さに堆積し、その上にドープ
されないポリシリコン層32を1000Å程度に堆積す
る。
【0020】図4bに示すように、ドープされないポリ
シリコン層32上に第1感光膜33を塗布した後、NM
OSトランジスタを形成する領域のドープされないポリ
シリコン層32を露出するように第1感光膜33を選択
的にパターニングする。この後、パターニングされた感
光膜33をマスクに用いてドープされないポリシリコン
層32にN型のPイオンを注入してN型のポリシリコン
層32aを形成する。図4cに示すように、第1感光膜
33を除去し、第2感光膜34を塗布した後、N型のポ
リシリコン層32aに隣接する、PMOSトランジスタ
を形成する領域のドープされないポリシリコン層32が
露出されるように第2感光膜34を露光及び現像工程で
選択的にパターニングする。この露出されたドープされ
ないポリシリコン層32上にP型のヒ素As又はボロン
Bイオンを注入してP型のポリシリコン層32bを形成
する。この後、第2感光膜34を除去する。
【0021】図4dに示すように、N型のポリシリコン
層32a及びP型のポリシリコン層32b上にチタン窒
化物TiNを100Å程度の厚さに堆積して拡散防止膜
35を形成する。このチタン窒化物TiNは、50Åを
堆積した後、再度50Åを堆積する。これにより、結晶
粒界が一致せず食い違うようになり拡散防止膜35の特
性が向上する。拡散防止膜35としては、チタン窒化物
TiNでなく、タングステン窒化物WNx又はタングス
テンシリコン窒化物WSiN又はタンタルシリコン窒化
物TaSiNなどを堆積して形成してもよい。そして、
拡散防止膜35上にソースガスとしてWF6やSiH4
はWF6やSiH2Cl2 を使用して1000Å〜200
0Å程度の厚さにタングステンシリサイド層36を形成
する。このように、拡散防止膜35を形成した後にタン
グステンシリサイド層36を形成するのは、後にタング
ステンシリサイド層36を非晶質化し、その非晶質化さ
れたタングステンシリサイド層36で構成された2重ゲ
ートを有するCMOSデバイスに悪影響を及ぼさないた
めである。
【0022】図4eに示すように、タングステンシリサ
イド層36にN型のPイオンを80KeVのエネルギー
で5E15cm-3注入して非晶質化させる。タングステン
シリサイド層36にPイオンを注入する際、1E15〜8
15cm-3の範囲で注入することができるが、5E15
-3以上注入することがゲート電極の固有抵抗減少の側
面で有利である。この後、900℃程度の温度で30分
程度熱処理工程を行って再結晶化させて結晶粒が大きな
タングステンシリサイド層36aを形成する。非晶質化
されたタングステンシリサイド層36の熱処理工程は4
00〜1100℃の範囲で行う。このイオン注入は、N
型のPイオンの代わりに、P型のAsイオン又はBイオ
ンをそれぞれ70KeVのエネルギー、20KeVのエ
ネルギーでPイオンと同じ量を注入してもよい。その後
熱処理工程を施して結晶粒が大きなタングステンシリサ
イド層36aを形成するのは同じである。
【0023】図4fに示すように、NMOSトランジス
タのゲート電極を形成するためのマスクを用いて第1酸
化膜31、N型のポリシリコン層32a、結晶粒が大き
なタングステンシリサイド層36aを異方性エッチング
する。これにより、ゲートキャップシリサイド層36
b、第1ゲート電極32c、ゲート酸化膜31aが形成
される。そして、再びPMOSトランジスタのゲート電
極を形成するためのマスクを用いて第1酸化膜31、P
型のポリシリコン層32b、結晶粒が大きなタングステ
ンシリサイド層36aを異方性エッチングする。これに
より、ゲートキャップシリサイド層36b、第2ゲート
電極32d、ゲート酸化膜31aが形成される。上記工
程中、拡散防止膜35を形成した後、WSi2.2 の形成
ターゲットを用いたスパッタリングにより非晶質化され
たタングステンシリサイド層を形成し、このようにして
形成されたタングステンシリサイド層をイオン注入なし
に900℃で熱処理工程を施して結晶粒が大きなタング
ステンシリサイド層36aを形成してもよい。
【0024】上述した本発明の第1、第2実施形態にお
いてタングステンシリサイド層の代わりに、高融点金属
シリサイドであるチタンシリサイド層又はタンタルシリ
サイド層を堆積してもよい。チタンTiを使用した場合
にはTiCl4、TiI2、SiH4、SiH2Cl2等を
ソースガスとして使用してTiSi2を形成することが
でき、タンタルTaを使用する場合にはTaCl5、S
iH4、SiH2Cl2などをソースガスとして使用して
TaSi2を形成することができる。
【0025】
【発明の効果】上述したように、本発明の半導体デバイ
スの製造方法は、結晶質の金属シリサイド層をイオン注
入及び熱工程を介して非晶質化、再結晶化させて結晶粒
径が大きな金属シリサイド層を形成するので、金属シリ
サイド層の固有抵抗が減少して動作特性を改善すること
ができる。また、ドープされたポリシリコン層上にドー
プされないポリシリコン層を堆積した後、結晶質金属シ
リサイド層を形成することによって、結晶質金属シリサ
イド層の形成時に使用されるWF6 ガスにより結晶質金
属シリサイド層に注入されるイオン濃度が減少すること
を防止できるので、結晶質金属シリサイド層の非晶質化
がより効率よく行われる。
【0026】さらに、ポリシリコン層上に拡散防止膜を
形成させてから結晶質の金属シリサイド層の非晶質化と
再結晶化で結晶粒径が大きな金属シリサイド層を形成す
ることにより金属シリサイド層へイオンを注入する際イ
オンが拡散されることを防止して安定した半導体デバイ
スを得ることができる。さらに、拡散防止膜を2回堆積
して形成させると結晶境界が一致しないので、拡散防止
膜の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の第1方法の半導体デバイスの製造方法
を示す工程断面図、
【図2】 従来の第2方法の半導体デバイスの製造方法
を示す工程断面図、
【図3】 本発明の第1実施形態の半導体デバイスの製
造方法を示す工程断面図、
【図4】 本発明の第2実施形態の半導体デバイスの製
造方法を示す工程断面図、
【図5】 本発明の第2実施形態の半導体デバイスの製
造方法を示す工程断面図、
【図6】 本発明のドープされたタングステンシリサイ
ド層の非晶質特性を示すデータ図、
【図7】 本発明のタングステンシリサイド層に注入さ
れるイオン濃度に応ずる固有抵抗特性を示すデータ図、
【図8】 本発明によりイオン注入されたタングステン
シリサイド層を900℃で30分間熱処理した後のタン
グステンシリサイド層の固有抵抗特性を示すデータ図、
【図9】 厚さを異にして形成したタングステンシリサ
イド層にリンイオンを注入して形成した場合のゲート電
極の固有抵抗特性を示すデータ図、
【図10】 図9と同条件で0.25μmの線幅を有す
るゲート電極の固有抵抗特性を示すデータ図である。
【符号の説明】
20、30 半導体基板 21、31 第1酸化膜 21a、31a ゲート酸化膜 22 ドープされたポリシリコン層 23、32 ドープされないポリシリコン層 24、36 タングステンシリサイド層 24a 結晶粒が大きなタングステンシリサイド層 25 側壁スペーサ 26 LDD領域 27 ソース/ドレイン不純物領域 32a N型のポリシリコン層 32b P型のポリシリコン層 32c 第1ゲート電極 32d 第2ゲート電極 33 第1感光膜 34 第2感光膜 35 拡散防止膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビョン・ハク・リ 大韓民国・チュンチョンブク−ド・チョ ンズ−シ・フンドク−ク・ヒャンジョン −ドン・50 (56)参考文献 特開 平4−336466(JP,A) 特開 平8−274185(JP,A) 特開 平4−72763(JP,A) 特開 平1−220846(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/336 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51 H01L 29/78

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に絶縁膜を堆積する工程と、 前記絶縁膜上の第1領域に第1導電型ポリシリコン層を
    形成する工程と、 前記絶縁膜上の第2領域に第2導電型ポリシリコン層を
    形成する工程と、 前記第1、第2導電型ポリシリコン層上に拡散防止膜を
    形成する工程と、 前記拡散防止膜上に結晶質金属シリサイド層を形成する
    工程と、 前記結晶質金属シリサイド層にイオンを注入して非晶質
    化された金属シリサイド層を形成する工程と、 前記非晶質化された金属シリサイド層を熱処理して
    晶化する工程と、 前記結晶化された金属シリサイド層と前記第1、第2
    導電型ポリシリコン層と前記絶縁膜とをエッチングして
    CMOSトランジスタを形成する工程と、 を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  2. 【請求項2】 基板上に絶縁膜を堆積する工程と、 前記絶縁膜上の第1領域に第1導電型ポリシリコン層を
    形成する工程と、 前記絶縁膜上の第2領域に第2導電型ポリシリコン層を
    形成する工程と、 前記第1、第2導電型ポリシリコン層上に 拡散防止膜を
    形成する工程と、前記 拡散防止膜上にスパッタリングで非晶質化された
    属シリサイド層を形成する工程と 前記非晶質化された金属シリサイド層を熱処理して再結
    晶化する工程と、 前記再結晶化された金属シリサイド層と前記第1、第2
    導電型ポリシリコン層と前記絶縁膜とをエッチングして
    CMOSトランジスタを形成する工程と、 を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記拡散防止膜はチタン窒化物TiN、
    タングステン窒化物WNx、タングステンシリコン窒化
    物WSiN、又はタンタルシリコン窒化物TaSiNを
    利用して形成することを特徴とする請求項1又は2記載
    の半導体デバイスの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記拡散防止膜は100Åの厚さを有す
    るように堆積することを特徴とする請求項3記載の半導
    体デバイスの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記拡散防止膜は、拡散防止特性が向上
    されるように50Åずつ2回堆積して形成することを特
    徴とする請求項4記載の半導体デバイスの製造方法。
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