JP3238804B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高融点金属とSiが合
金化されて生成されたシリサイドを有する半導体装置の
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a silicide formed by alloying a refractory metal and Si.

【0002】[0002]

【従来の技術】高集積化されたMOSICにおいては、
高集積化に伴う配線幅の縮小や配線長の拡大に起因して
配線抵抗が増大しており、特にゲート電極の配線抵抗の
増大による動作速度の低下が問題になっている。そこで
配線抵抗を減少して動作速度を向上するために、多結晶
Siからなる従来のゲート電極に代えて、高融点金属と
Siが合金化されて生成されたシリサイドを多結晶Si
上に積層してなるポリサイド構造のゲート電極が用いら
れるようになってきている。
2. Description of the Related Art In a highly integrated MOSIC,
The wiring resistance is increasing due to the reduction of the wiring width and the increase of the wiring length due to the high integration, and particularly, the reduction of the operation speed due to the increase of the wiring resistance of the gate electrode has become a problem. Therefore, in order to reduce the wiring resistance and improve the operation speed, instead of the conventional gate electrode made of polycrystalline Si, a silicide generated by alloying a refractory metal and Si is made of polycrystalline Si.
A gate electrode having a polycide structure laminated thereon is being used.

【0003】このポリサイド構造のゲート電極を形成す
る方法としては、半導体基板上に熱酸化法によりゲート
酸化膜を形成し、このゲート酸化膜の上に減圧化学気相
成長法により多結晶Si膜を形成し、この多結晶Si膜
に不純物を導入して導電性を付加し、さらにこの多結晶
Si膜上にスパッタあるいは化学気相成長法により高融
点金属層を形成し、これらの層が形成された半導体基板
に熱処理を施して高融点金属層とSiを合金化させてシ
リサイド膜を形成することにより低抵抗化し、その後、
周知のドライエッチング法によりこれらの膜をパターニ
ングしてゲート電極を形成する方法が知られている(例
えば特公昭61−95516号公報参照)。
As a method of forming a gate electrode having the polycide structure, a gate oxide film is formed on a semiconductor substrate by a thermal oxidation method, and a polycrystalline Si film is formed on the gate oxide film by a reduced pressure chemical vapor deposition method. An impurity is introduced into the polycrystalline Si film to add conductivity, and a high melting point metal layer is formed on the polycrystalline Si film by sputtering or chemical vapor deposition to form these layers. The semiconductor substrate is subjected to heat treatment to form a silicide film by alloying the refractory metal layer and Si, thereby reducing the resistance.
A method of patterning these films by a well-known dry etching method to form a gate electrode is known (for example, see Japanese Patent Publication No. 61-95516).

【0004】上記の方法では、ゲート電極を構成するシ
リサイド膜の表面に熱処理工程で安定な酸化膜(SiO
2 膜)が形成されるが、その後のパターニング工程によ
り、シリサイド膜の側面は安定な酸化膜が形成されてい
ない剥き出しの状態となる。シリサイド膜が剥き出しの
状態で酸化性雰囲気にさらされると、シリサイド膜が変
質し剥がれることが知られており、このため、シリサイ
ド膜が剥き出しになった状態ではその後の工程の熱処理
条件や膜堆積条件が著しく制限され不都合を生じる。
In the above method, a stable oxide film (SiO.sub.2) is formed on a surface of a silicide film constituting a gate electrode by a heat treatment process.
2 ) is formed, but in the subsequent patterning step, the side surface of the silicide film is exposed without a stable oxide film formed. It is known that when the silicide film is exposed to an oxidizing atmosphere in a bare state, the silicide film is deteriorated and peels off. For this reason, when the silicide film is bare, heat treatment conditions and film deposition conditions in the subsequent steps are known. Is severely limited and causes inconvenience.

【0005】そこで、この不都合を解消するために、先
ず、ゲート電極を形成するためのパターニングを行い、
その直後にシリサイド膜を形成するための熱処理を行っ
てシリサイド膜の表面と側面に安定な酸化膜を形成する
方法が提案されている。しかし、この方法では、シリサ
イド膜に大きな内部応力が生じ、これにより、ゲート電
極の下端部に応力が集中してゲート酸化膜の耐圧が劣化
する。このため従来は、ゲート電極を構成する多結晶S
i膜を2000オングストローム以上の厚さに形成して
応力集中を緩和し、ゲート酸化膜の耐圧劣化を防止して
いる。
Therefore, in order to solve this problem, first, patterning for forming a gate electrode is performed.
Immediately thereafter, a method has been proposed in which a heat treatment for forming a silicide film is performed to form a stable oxide film on the surface and side surfaces of the silicide film. However, according to this method, a large internal stress is generated in the silicide film, whereby the stress is concentrated on the lower end portion of the gate electrode and the breakdown voltage of the gate oxide film is deteriorated. For this reason, conventionally, the polycrystalline S
The i film is formed to a thickness of 2000 angstroms or more to reduce stress concentration and prevent the gate oxide film from deteriorating withstand voltage.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の多結晶
Si膜を2000オングストローム以上の厚さに形成す
る方法では、多結晶Si膜が厚く形成される分だけゲー
ト電極の段差が大きくなり、この結果、その後のウェー
ハプロセスの精度が低下するという問題がある。一方、
多結晶Si膜を薄くすると、上記のようにゲート酸化膜
の耐圧が劣化するという問題がある。
However, in the above-mentioned method of forming the polycrystalline Si film to a thickness of 2000 Å or more, the step of the gate electrode is increased by the thickness of the polycrystalline Si film. As a result, there is a problem that the accuracy of the subsequent wafer process is reduced. on the other hand,
When the polycrystalline Si film is thinned, there is a problem that the breakdown voltage of the gate oxide film is deteriorated as described above.

【0007】本発明は、上記事情に鑑み、ゲート電極を
構成する多結晶Si層を従来より薄くしてゲート電極の
段差を小さくしても、ゲート酸化膜の耐圧劣化を防止で
きる半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above circumstances, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of preventing a gate oxide film from deteriorating withstand voltage even if a polycrystalline Si layer constituting a gate electrode is made thinner than a conventional one to reduce a step of the gate electrode. The aim is to provide a method.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の半導体装置の製造方法は、 シリサイドが形成された半導体装置の製造方法におい
て、 (1)半導体基板に酸化膜を形成する工程 (2)該酸化膜の上に多結晶Si膜を形成する工程 (3)多結晶Si膜の上に金属とSiの混合物を堆積す
ることにより、該混合物からなる混合膜を形成する工程 (4)該多結晶Si膜及び該混合膜をパターニングする
工程 (5)該パターニングが終了した前記半導体基板に絶縁
膜を形成する工程 (6)前記絶縁膜が形成された前記半導体基板を熱処理
することにより前記混合膜を合金化してシリサイドを形
成する工程 を含むことを特徴とするものである。
According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (1) forming an oxide film on a semiconductor substrate; (2) Step of forming a polycrystalline Si film on the oxide film (3) Step of depositing a mixture of metal and Si on the polycrystalline Si film to form a mixed film composed of the mixture (4) ) A step of patterning the polycrystalline Si film and the mixed film; (5) a step of forming an insulating film on the semiconductor substrate after the patterning is completed; and (6) a heat treatment of the semiconductor substrate on which the insulating film is formed. Forming a silicide by alloying the mixed film.

【0009】[0009]

【作用】本発明者は、上記問題を解決するために、ゲー
ト電極を形成する際の応力分布を計算機シミュレーショ
ンにより調査した。この結果を、図1、図2に示す。図
1は、ゲート電極10のパターニング後にシリサイド化
のための熱処理を行った場合の引張応力の分布を示す
図、図2は、ゲート電極10のパターニング後に絶縁膜
を堆積し、その後シリサイド化のための熱処理を行った
場合の引張応力の分布を示す図であり、多結晶Si膜1
2の厚さを1500オングストローム、シリサイド層1
4の厚さを2000オングストロームとした。
In order to solve the above-mentioned problem, the present inventors investigated the stress distribution when forming the gate electrode by computer simulation. The results are shown in FIGS. FIG. 1 is a diagram showing the distribution of tensile stress when a heat treatment for silicidation is performed after patterning of the gate electrode 10, and FIG. 2 is a diagram showing an example in which an insulating film is deposited after patterning of the gate electrode 10 and then silicidation is performed. FIG. 5 is a view showing a distribution of tensile stress when heat treatment of FIG.
2, thickness of 1500 Å, silicide layer 1
The thickness of No. 4 was set to 2000 angstroms.

【0010】図1、図2によれば、シリサイド化する際
の体積縮小に起因する引張応力が、ゲート電極10のパ
ターニング後に熱処理を行った場合はゲート電極10の
下端部のゲート酸化膜16に集中するのに対し、ゲート
電極10のパターニング後に絶縁膜18を堆積して熱処
理した場合はゲート酸化膜16には上記引張応力がほと
んど存在しないことが判明した。
According to FIGS. 1 and 2, the tensile stress caused by the volume reduction during the silicidation causes the gate oxide film 16 at the lower end of the gate electrode 10 to undergo heat treatment after patterning of the gate electrode 10. In contrast, when the insulating film 18 was deposited and heat-treated after patterning of the gate electrode 10, it was found that the tensile stress was hardly present in the gate oxide film 16.

【0011】この知見に基づいて、金属とSiの混合物
からなる混合膜や、多結晶Si膜と金属膜からなる2層
膜をパターニングした後、半導体基板に絶縁膜を形成
し、この半導体基板を熱処理してシリサイド層を形成す
ることにより、ゲート電極を構成する多結晶Si膜を従
来よりも薄くしてゲート電極の段差を小さくしても、ゲ
ート酸化膜に応力が集中することを緩和でき、ゲート酸
化膜の耐圧劣化が防止される。
Based on this finding, after patterning a mixed film composed of a mixture of metal and Si or a two-layer film composed of a polycrystalline Si film and a metal film, an insulating film is formed on a semiconductor substrate, and this semiconductor substrate is formed. By forming a silicide layer by heat treatment, even if the polycrystalline Si film constituting the gate electrode is made thinner than before and the step of the gate electrode is reduced, the concentration of stress on the gate oxide film can be reduced. Deterioration of breakdown voltage of the gate oxide film is prevented.

【0012】[0012]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図3〜図8は、本発明の半導体装置の製造方法の
一実施例を示す断面図であり、ここでは、Nチャネル型
MOSFETの製造に適用した実施例を説明する。先
ず、図3に示されるように、Si基板20に形成された
素子分離絶縁膜22で分離された素子活性領域24に、
SiO2 からなるゲート絶縁膜26を熱酸化法で形成
し、素子分離絶縁膜22とゲート絶縁膜26の上に、厚
さ1500オングストロームの多結晶Si膜28を周知
の減圧化学気相成長法で形成し、さらにこの多結晶Si
膜28の上に、MoとSiの混合物からなる混合膜30
をスパッタ又は化学気相成長法で形成する。これらの膜
を形成後、図4に示されるように、周知のフォトエッチ
ングにより、多結晶Si膜28と混合膜30をゲート電
極の形状をした層32にパターニングする。次に図5に
示されるように、素子分離絶縁膜22と層32をマスク
として、Si基板20の導電形式と反対の導電形式の不
純物(例えば、P)をSi基板20にイオン注入してn
- の不純物注入領域34を形成する。次に図6に示され
るように、Si基板20の全面にSiO2 からなる絶縁
膜36を周知のCVDで形成する。次に、赤外線ランプ
加熱装置(図示せず)によりアニールを行い、図7に示
されるように、混合膜30を合金化してシリサイド膜3
8にし、シリサイド膜38と多結晶Si膜28aから構
成される低抵抗のゲート電極40を形成する。次に図8
に示されるように、絶縁膜36を異方性エッチングでエ
ッチバックすることによりゲート電極40の側壁に側壁
酸化膜36aを形成し、この側壁酸化膜36aと素子分
離絶縁膜22をマスクにして、Si基板20の導電形式
と反対の導電形式の不純物(例えば、As)をSi基板
20にイオン注入し、活性化のためのアニールを行って
+ の不純物注入領域42を形成する。その後、層間絶
縁膜としてPSG膜(図示せず)をCVDで形成し、N
2 雰囲気で900℃のアニールを施し、周知の加工技術
を用いて所定領域に電極取出し用開孔(図示せず)を形
成し、さらに所定のAl合金配線(図示せず)を形成
し、これによりNチャネル型のMOSFETを製造す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 3 to 8 are sectional views showing one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. Here, an embodiment applied to the manufacture of an N-channel MOSFET will be described. First, as shown in FIG. 3, the device active region 24 separated by the device isolation insulating film 22 formed on the Si substrate 20
A gate insulating film 26 made of SiO 2 is formed by a thermal oxidation method, and a 1500 angstrom thick polycrystalline Si film 28 is formed on the element isolation insulating film 22 and the gate insulating film 26 by a well-known low-pressure chemical vapor deposition method. Formed, and the polycrystalline Si
On the film 28, a mixed film 30 made of a mixture of Mo and Si
Is formed by sputtering or chemical vapor deposition. After these films are formed, as shown in FIG. 4, the polycrystalline Si film 28 and the mixed film 30 are patterned into a layer 32 in the shape of a gate electrode by well-known photoetching. Next, as shown in FIG. 5, using the element isolation insulating film 22 and the layer 32 as a mask, an impurity (for example, P) having a conductivity type opposite to the conductivity type of the Si substrate 20 is ion-implanted into the Si substrate 20 and n
- to form an impurity implanted region 34. Next, as shown in FIG. 6, an insulating film 36 made of SiO 2 is formed on the entire surface of the Si substrate 20 by well-known CVD. Next, annealing is performed by an infrared lamp heating device (not shown), and as shown in FIG.
Then, a low-resistance gate electrode 40 composed of the silicide film 38 and the polycrystalline Si film 28a is formed. Next, FIG.
As shown in FIG. 2, the insulating film 36 is etched back by anisotropic etching to form a side wall oxide film 36a on the side wall of the gate electrode 40, and using the side wall oxide film 36a and the element isolation insulating film 22 as a mask, Impurities (for example, As) of a conductivity type opposite to the conductivity type of the Si substrate 20 are ion-implanted into the Si substrate 20 and annealing for activation is performed to form an n + impurity implantation region 42. Thereafter, a PSG film (not shown) is formed by CVD as an interlayer insulating film, and N
Annealing is performed at 900 ° C. in two atmospheres, an opening for taking out an electrode (not shown) is formed in a predetermined region using a known processing technique, and a predetermined Al alloy wiring (not shown) is formed. To manufacture an N-channel type MOSFET.

【0013】次に、上記実施例の方法で製造したMOS
FETのゲート絶縁膜26(図8参照)の耐圧分布を、
従来の方法で製造したMOSFETのゲート絶縁膜の耐
圧分布と比較して説明する。図9はエッチングによりゲ
ート電極の形状を形成した直後に、アニールを施してシ
リサイド化し、厚さ1500オングストロームの多結晶
Si膜を有するゲート電極を形成した従来のMOSFE
Tのゲート絶縁膜の耐圧分布、図10は上記実施例の方
法で製造したMOSFETのゲート絶縁膜の耐圧分布を
示すグラフである。これらの図に示されるように、ゲー
ト電極を構成する多結晶Si膜の厚さが1500オング
ストロームであっても本実施例の方法で製造されたMO
SFETのゲート絶縁膜の耐圧は改善され、LSIの耐
圧不良は従来の方法に比べ激減させることが可能となっ
た。
Next, the MOS manufactured by the method of the above embodiment will be described.
The breakdown voltage distribution of the FET gate insulating film 26 (see FIG. 8)
A description will be given in comparison with a breakdown voltage distribution of a gate insulating film of a MOSFET manufactured by a conventional method. FIG. 9 shows a conventional MOSFE in which a gate electrode having a polycrystalline Si film having a thickness of 1500 angstroms is formed by annealing and silicidation immediately after forming the shape of the gate electrode by etching.
FIG. 10 is a graph showing the breakdown voltage distribution of the gate insulating film of the MOSFET manufactured by the method of the above embodiment. As shown in these figures, even if the thickness of the polycrystalline Si film constituting the gate electrode is 1500 angstroms, the MO manufactured by the method of the present embodiment is obtained.
The withstand voltage of the gate insulating film of the SFET has been improved, and the withstand voltage failure of the LSI can be drastically reduced as compared with the conventional method.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法によれば、シリサイド化のための熱処理に先
立って半導体基板に絶縁膜を形成し、その後シリサイド
化のための熱処理を行うため、ゲート電極を構成する多
結晶Si膜を従来より薄くしてゲート電極の段差を小さ
くしても、ゲート酸化膜に応力が集中することを緩和で
き、ゲート酸化膜の耐圧劣化が防止できる。これによ
り、MOSトランジスタの製品歩留りを向上することが
できる。また、ゲート電極を構成する多結晶Si膜を従
来よりも薄くできるため、MOSトランジスタの微細化
に寄与するところが大きい。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, an insulating film is formed on a semiconductor substrate prior to a heat treatment for silicidation, and then a heat treatment for silicidation is performed. Even if the polycrystalline Si film constituting the gate electrode is made thinner than before so as to reduce the step of the gate electrode, concentration of stress on the gate oxide film can be reduced, and deterioration of the breakdown voltage of the gate oxide film can be prevented. Thereby, the product yield of MOS transistors can be improved. Further, since the polycrystalline Si film constituting the gate electrode can be made thinner than before, it greatly contributes to miniaturization of the MOS transistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ゲート電極のパターニング後にシリサイド化の
ための熱処理を行った場合の引張応力の分布を示す図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing a distribution of tensile stress when a heat treatment for silicidation is performed after patterning of a gate electrode.

【図2】ゲート電極のパターニング後に絶縁膜を堆積
し、その後シリサイド化のための熱処理を行った場合の
引張応力の分布を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the distribution of tensile stress when an insulating film is deposited after patterning of a gate electrode and then heat treatment for silicidation is performed.

【図3】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を示
す断面図であり、Si基板に素子分離絶縁膜、ゲート絶
縁膜、多結晶Si膜、及び混合膜が形成された状態を示
す。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, showing a state where an element isolation insulating film, a gate insulating film, a polycrystalline Si film, and a mixed film are formed on a Si substrate. .

【図4】図3に示す状態の半導体装置をパターニングし
てゲート電極の形状を形成した状態を示す断面図であ
る。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the shape of the gate electrode is formed by patterning the semiconductor device in the state shown in FIG. 3;

【図5】図4に示す状態の半導体装置にイオン注入して
- の不純物注入領域を形成した状態を示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where ions are implanted into the semiconductor device in the state shown in FIG. 4 to form an n impurity implantation region.

【図6】図5に示す状態の半導体装置に絶縁膜を形成し
た状態を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where an insulating film is formed on the semiconductor device in the state shown in FIG. 5;

【図7】図6に示す状態の半導体装置に熱処理を施して
シリサイド膜を形成した状態を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where a heat treatment is performed on the semiconductor device in the state shown in FIG. 6 to form a silicide film;

【図8】図7に示す状態の半導体装置に側壁酸化膜を形
成し、n+ の不純物注入領域を形成した状態を示す断面
図である。
8 is a cross-sectional view showing a state in which a sidewall oxide film is formed on the semiconductor device in the state shown in FIG. 7 and an n + impurity implantation region is formed.

【図9】エッチングによりゲート電極の形状を形成した
直後に、アニールを施してシリサイド化しゲート電極を
形成した従来のMOSFETのゲート絶縁膜の耐圧分布
を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a breakdown voltage distribution of a gate insulating film of a conventional MOSFET in which a gate electrode is formed by annealing and silicidation immediately after a gate electrode is formed by etching.

【図10】本発明の実施例の方法で製造したMOSFE
Tのゲート絶縁膜の耐圧分布を示すグラフである。
FIG. 10 shows a MOSFE manufactured by the method according to the embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a breakdown voltage distribution of a gate insulating film of T.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 Si基板 26 ゲート絶縁膜 28 多結晶Si膜 30 混合膜 36 絶縁膜 38 シリサイド膜 Reference Signs List 20 Si substrate 26 Gate insulating film 28 Polycrystalline Si film 30 Mixed film 36 Insulating film 38 Silicide film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−24732(JP,A) 特開 平2−130830(JP,A) 特開 昭61−259573(JP,A) 特開 平4−207025(JP,A) 特開 平4−199629(JP,A) 特開 昭62−296468(JP,A) 特開 昭61−174628(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/28 301 H01L 29/78 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-24732 (JP, A) JP-A-2-130830 (JP, A) JP-A-61-259573 (JP, A) JP-A-4- 207025 (JP, A) JP-A-4-199629 (JP, A) JP-A-62-296468 (JP, A) JP-A-61-174628 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. 7 , DB name) H01L 21/28 301 H01L 29/78

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリサイドが形成された半導体装置の製
造方法において、 半導体基板に酸化膜を形成する工程と、 該酸化膜の上に多結晶Si膜を形成し、該多結晶Si膜
の上に金属とSiの混合物を堆積することにより、該混
合物からなる混合膜を形成する工程と、 該多結晶膜と該混合膜をパターニングする工程と、 該パターニングが終了した前記半導体基板に絶縁膜を形
成する工程と、 前記絶縁膜が形成された前記半導体基板を熱処理するこ
とにより前記混合膜を合金化してシリサイドを形成する
工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor device having silicide formed therein, comprising: forming an oxide film on a semiconductor substrate; forming a polycrystalline Si film on the oxide film; Forming a mixed film of the mixture by depositing a mixture of metal and Si; patterning the polycrystalline film and the mixed film; forming an insulating film on the semiconductor substrate after the patterning is completed. Performing a heat treatment on the semiconductor substrate on which the insulating film is formed, thereby alloying the mixed film to form a silicide.
【請求項2】 前記絶縁膜を、前記パターニングした混
合膜の上面および側面上に直接形成することを特徴とす
る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the insulating film is formed by mixing the patterned mixture.
It is formed directly on the top and side surfaces of the composite film.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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