JP3629326B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、コバルトシリサイドを構成要素として含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの微細化、高集積化が進む中、半導体装置のスイッチングトランジスタの構成であるゲートポリシリコンと半導体基板の活性領域上とを同時に自己整合的(セルフアライン)にシリサイド化する技術であるシリサイドプロセスが、特に活性領域の抵抗がデバイス性能を左右するロジックデバイスにおいて重要な技術となってきている。
【0003】
低抵抗なシリサイドを得る技術が特公平3−67334号公報に記載されている。この特公平3−67334号公報に記された技術では、コバルトシリサイドコンタクトの製造方法に関し、多結晶シリコン上、若しくはウェハ表面の活性領域上に形成したコバルト層を最初450℃で加熱し、その後、さらに2回目の熱処理を700〜950℃で行うことで、最初の熱処理でコバルトを多く含むシリサイドを形成し、2回目の熱処理でコバルトを多く含むシリサイドをコバルト・ジシリサイド層に変化させ、低抵抗なシリサイドを得ることを示している。
【0004】
しかし、特公平3−67334号公報に記された技術を用いて、サリサイドトランジスタを形成する際、図8に断面構造を示すように、通常のMOSトランジスタの形成と同様に半導体基板101上にLOCOS酸化膜等の素子分離領域102を形成し、さらにゲート絶縁膜103となるシリコン酸化膜、ゲート電極104を構成する多結晶シリコン膜、シリコン酸化膜よりなるサイドウォール105及びソース/ドレイン領域となる活性領域106を形成する。その後、全面にコバルト層107を成膜する。
【0005】
次に、450℃の温度で所定時間熱処理を行うことによって、サイドウォール近傍の拡大図である図9に示すようにコバルト層107とゲート電極104となる多結晶シリコン膜との接合面及びコバルト層107と活性領域106との接合面にコバルトシリサイド108が形成される。このコバルトシリサイド108は金属を多く含むシリサイドであり、CoSi若しくはCo2Siから構成されるものである。
【0006】
その後、図10に示すように、諸工程を経た後、900℃の温度で所定時間熱処理を行うことによって、金属を多く含むシリサイドをシリコンを多く含むコバルトジシリサイド109に変化させ、さらに、層間絶縁膜115を積層し、配線111をパターン形成することでサリサイドトランジスタを含む構造の半導体装置を得るという方法があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のシリサイド技術においては、図9に示すように、コバルトと多結晶シリコン、若しくはコバルトとシリコンウェハ(単結晶シリコン)を450℃の温度で熱処理することによって金属が多く含まれたコバルトシリサイドに変化させる際、コバルトシリサイドを形成しようとする領域、つまり、コバルト層107と多結晶シリコン膜104との接合面(またはコバルトとシリコンウェハの接合面)のみにシリサイドが形成されるのではなく、接合面及び接合面の端部からシリコン酸化膜105とコバルト層107が接合する境界部(開口部106近傍)にかけてもシリサイド膜108aが薄く形成されるという現象(一般に這い上がりと言われている。)が見られた。
【0008】
従来の場合であれば、ゲート電極−活性領域間の絶縁領域が十分に確保できたために這い上がりが生じてもゲート電極と活性領域の間が這い上がりによって形成された薄いシリサイド膜108aを介して電気的にショートする等の問題が無かったが、現在のように素子の微細化が進むと導電物質間に形成される絶縁膜の寸法も微細化されるため、ショートの原因となる等の問題となってきていた。
【0009】
また、比較的低温の熱処理において、シリサイド化反応を起こさせた場合、シリコン中にコバルトが拡散することでCo2Siが形成され、コバルト中にシリコンが拡散することでCoSiが形成されることが既に知られている。このシリコン中にコバルトが拡散することでCoSiが形成される現象は一般に這い上がりと言われている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に対して参考例となる半導体装置の製造方法は、シリコンウェハ、多結晶シリコン膜のいずれか一方、若しくは両方に接してコバルト層を形成し、350℃以上450℃未満の温度で熱処理することでCo2Si膜を形成する第一の工程、上記Co2Si膜に対し熱処理を行うことでCoSi2膜に変化させる第二の工程を含むものである。
【0011】
また、この発明による半導体装置の製造方法は、シリコンウェハ、シリコンウェハ上に積層された多結晶シリコン膜のいずれか一方、若しくは両方を350℃以上450℃未満の温度に保った状態で、上記シリコンウェハ、多結晶シリコン膜の上層にコバルト層を積層することで、Co2Si膜を形成する第一の工程、上記Co2Si膜に対し、熱処理を行うことでCoSi2に変化させる第二の工程を含むものである。
【0014】
さらに、この発明による半導体装置の製造方法では、上記第一の工程によって生成されるコバルトとシリコンの化合物は、Co2Siのみであるようにできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法により形成される半導体装置の一部、例えばスイッチングトランジスタのゲート長方向に沿って切断した場合の断面構造を示すものである。図1において、符号1はシリコンウェハからなる半導体基板、2は半導体基板1の表面上に素子間分離のためにLOCOS法等により形成されたシリコン酸化膜からなる素子分離領域、3はゲート絶縁膜4を介して半導体基板1上に形成されたゲート電極を示している。
【0016】
また、5はゲート電極3の一部を構成する多結晶シリコン膜、6は多結晶シリコン膜5上に形成され、ゲート電極の一部を構成するコバルトシリサイド層である。また、7はゲート電極の側断面に付着して形成されたシリコン酸化膜等の絶縁物質からなるサイドウォール、8はゲート電極3と素子分離領域2とに挟まれた半導体基板1の表面に形成されたソース/ドレイン拡散領域であり、このソース/ドレイン拡散領域8の上面にコバルトシリサイド層9が形成された状態を示している。ここで形成されているコバルトシリサイド層6、9はいずれもシリコンを多く含むCoSi2からなる層である。
【0017】
次に、図1に示した半導体装置の製造方法について説明する。まず、図2に示すように、通常のMOSトランジスタの形成と同様に、半導体基板1上に熱酸化によって素子分離領域2を形成する。その後、素子分離領域2が形成された領域以外の半導体基板1表面の活性領域となる領域上に熱酸化等の方法を用いて厚さ50ないし100Åのゲート絶縁膜4を形成する。
【0018】
その後 、ゲート絶縁膜4上に多結晶シリコン膜を、CVD技術若しくはスパッタリング等の方法によって、厚さ3000Åとなるように積層し、その後、ゲート電極3の形状(ゲート長は3000Å程度)となるようにパターニングを行う。次に、ゲート電極3の側断面にシリコン酸化膜からなるサイドウォール7を形成し、さらに不純物イオン注入を行うことによって活性領域表面に半導体基板1の表面から深さ0.1〜0.2μmの領域にソース/ドレイン拡散領域8を形成する。
【0019】
次に、図3に示すように、半導体装置の全面にCVD技術、若しくはスパッタリング等の方法を用いて厚さ100ないし200Åのコバルト層10を積層する。
次に、図4に示すように、比較的低温の熱処理を行うことによってコバルト層10を構成するCoとゲート電極3の表面及びソース/ドレイン拡散領域8を構成するSiが反応し、Si中にCoが拡散して、メタルリッチなコバルトシリサイド(Co2Si)層11、12をそれぞれ形成する。これにより、ゲート電極3はコバルトシリサイド層11と多結晶シリコン層5の2層構造となる。また、このとき形成されるコバルトシリサイド層11、12の厚さはそれぞれ600Å程度のものとなる。
【0020】
上記のメタルリッチなコバルトシリサイド層11、12を形成する際の熱処理は、酸素等の酸化の原因となる物質を含まない雰囲気中において350℃以上450℃未満の所定温度で行うものであり、CoとSiの化合物の組成がCo2Siのみとなるような処理である。このCo2Siの生成において、コバルト層10を構成するCoが、ゲート電極3の表面及びソース/ドレイン拡散領域8の表面内のシリコンに拡散し、コバルト層10の膜厚が減少し、一方、素子分離領域2上、サイドウォール7上においては、それらの内部にコバルトが拡散することがないため、コバルト層10が堆積した状態に残っている。
【0021】
次に、図5に示すように、未反応のコバルト層10を過酸化水素、硝酸、酢酸、リン酸の混合液を用い、ウェットエッチングを行うことにより選択的に除去する。
その後、さらに窒素雰囲気中などの酸素を含まない雰囲気中において、比較的高温の熱処理を行うことによって、メタルリッチなコバルトシリサイド(Co2Si)層11、12を低抵抗なコバルトダイシリサイド(CoSi2)層6、9に変化させることで、図1に示すような半導体装置の構造を得ることが可能になる。
【0022】
前記の図4に示した最初の熱処理工程において、コバルトシリサイド層11、12がCo2Siの組成のコバルトシリサイドとなり、CoSiの組成のコバルトシリサイド形成されていないことを示す資料として、図6及び図7に発明者によって観測されたコバルト・シリコンの熱処理による反応に関する実験結果を示す。
【0023】
図6はシリコンウェハ上にコバルト層をスパッタリング法によって積層し、ランプアニール法にて熱処理を加えてコバルトシリサイドを形成する際の、シリサイド反応に消費されるコバルトの膜厚の熱処理温度依存性を示すものである。この熱処理は窒素雰囲気中で90秒間行ったものであり、図の縦軸のコバルト消費膜厚は90秒間の消費膜厚が示されている。
【0024】
この図6から分かるように、コバルトの消費膜厚は熱処理温度が350℃以上450℃未満の場合と、450℃以上の場合とによって大きく異なり、350℃以上450℃未満では比較的コバルトの消費は少なく、その消費速度は150Å/min以下であり、450℃ではコバルトの消費が大きく、その消費率が大きく変化する温度は450℃であると考えられる。また、コバルトの消費量からメタルリッチなCo2Siの生成速度を知ることが可能であり、熱処理温度が350℃以上450℃未満の場合はCo2Siの生成速度は200Å/min以下となっている。なお、350℃未満の温度で熱処理を行った場合はコバルトシリサイドは生成されないことが知られている。
【0025】
また、図7に、それぞれの温度領域において形成されるコバルトシリサイドを同定するために、コバルトの消費速度が150Å/min以下である400℃、コバルトの消費速度の境界温度である450℃、消費速度が150Å/minよりも大きい500℃の3点においてのX線反射回折スペクトル(XRD)の測定結果を示す。
【0026】
図7において、400℃のスペクトルを見ると、シリサイドの化合物としてCo2Siのピークが大きく検出され、また450℃のスペクトルではCo2Siの1つのピークが大きく検出され、そのピークの近傍に小さなCo2Siのピークが2つ見られる。さらに、500℃ではCo2Siのピークの他にCoSiのピークが2つ検出されている。
【0027】
図6、7に示した結果をまとめると、コバルト膜とシリコンの間のシリサイド化反応において、コバルト消費速度150Å/min以下、またはCo2Si生成速度200Å/min以下の低速で反応を生じさせればCoSiを生成することなくCo2Siのみが生成されることが分かる。さらに、このような低速のシリサイド化反応は、350℃以上450℃以下の温度で熱処理を加えることで実現できることが分かる。しかし、図6の結果から、熱処理温度450℃の場合は、シリサイド化反応の反応速度が変化する温度に対応しているため、450℃未満の温度で熱処理を加えることで、より安定にCo2Siのみを生成することが可能であり、好ましい。
【0028】
このように、コバルト膜を形成した後に加える熱処理の温度をを350℃以上450℃未満とすることによって、コバルト/シリコン間のシリサイド化反応は、Co消費速度150Å/min以下又はCo2Si生成速度200Å/min以下の低温で起こり、Co2Siのみが生成される。このときCoSiが形成されないため、シリコンはコバルト中に拡散することはない。これによってシリサイドプロセスで大きな問題となる這い上がりを抑制することが可能となる。
【0029】
這い上がりを抑制できることによって、ゲート電極とソース/ドレイン拡散領域とが、ゲート電極に付着して形成されたサイドウォール上に生成されたシリサイドを介して電気的に接続された状態となることはなく、安定した特性の半導体装置を得ることが可能となる。
【0030】
実施の形態2.
次に、実施の形態2について説明する。この実施の形態2は実施の形態1の図1に示した半導体装置と同じ構造の半導体装置を得る、別の方法を示すものである。既に説明した実施の形態1では、図3に示すように、まずMOSトランジスタ上にコバルト層10を積層し、次に、図4に示した最初の熱処理工程を行うことによって、メタルリッチなコバルトシリサイドCo2Siを生成する方法を示していた。
【0031】
この実施の形態2では、コバルト層をMOSトランジスタの全面に積層する際に、半導体基板1の温度を350℃以上450℃未満の温度に保つことで、Coの成膜と同時にCo2Siを生成するという処理を行う。半導体基板1の温度を上記のように保つことによって、Co2Siのみを生成することが可能であるため、実施の形態1と同様に、CoSiは生成されず、這い上がりの現象が起こらない。
よって、少ない工程数で、シリサイドプロセスにおける這い上がり現象を抑制した半導体装置を得られるものである。
【0032】
【発明の効果】
この発明によれば、最初のシリサイド化工程において、コバルトとシリコンを反応させる際に、熱処理温度をCo2Siのみが生成され、CoSiが生成されない温度(350℃以上450℃未満)で、処理を行うことでシリサイド化プロセスにおける這い上がり現象の抑制をすることが可能となる。これによって素子間のショートの原因、製造過程におけるパターニングの妨げとなることがなく、安定した特性及び構造を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【0033】
また、この発明によれば、最初のシリサイド化工程において、あらかじめ半導体基板の温度をCoSiが生成されない温度(350℃以上450℃未満)とすることで、CoSiの生成の抑制、這い上がり現象の抑制をすることが可能になり、これによって素子間のショートの原因、製造過程におけるパターニングの妨げとなることがなく、安定した特性及び構造を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【0034】
さらに、この発明によれば、Co2Si生成の際のコバルトの消費速度が150Å/minとなるように処理を行うことでシリサイド化プロセスにおける這い上がり現象の抑制をすることが可能となり、これによって素子間のショートの原因、製造過程におけるパターニングの妨げとなることがなく、安定した特性及び構造を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【0035】
また、この発明によれば、Co2Siの生成速度が200Å/minとなるように処理を行うことでシリサイド化プロセスにおける這い上がり現象の抑制をすることが可能となり、これによって素子間のショートの原因、製造過程におけるパターニングの妨げとなることがなく、安定した特性及び構造を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【0036】
さらに、この発明によれば、最初の熱処理によって生成されるコバルトとシリコンの化合物がCo2Siのみであるため、シリサイド化プロセスにおける這い上がり現象の抑制をすることが可能となり、これによって素子間のショートの原因、製造過程におけるパターニングの妨げとなることがなく、安定した特性及び構造を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1を示す半導体装置の断面図である。
【図2】この発明の実施の形態1の製造フローを示す断面図である。
【図3】この発明の実施の形態1の製造フローを示す断面図である。
【図4】この発明の実施の形態1の製造フローを示す断面図である。
【図5】この発明の実施の形態1の製造フローを示す断面図である。
【図6】この発明の実施の形態1の説明に必要な図である。
【図7】この発明の実施の形態1の説明に必要な図である。
【図8】従来の技術による半導体装置を示す断面図である。
【図9】従来の技術による半導体装置を示す断面図である。
【図10】従来の技術による半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1.半導体基板 2.素子分離領域
3.ゲート電極 4.ゲート絶縁膜
5.多結晶シリコン膜 6、9.コバルトダイシリサイド層
7.サイドウォール 8.ソース/ドレイン拡散領域
10.コバルト層 11、12.コバルトシリサイド層
Claims (2)
- シリコンウェハ、シリコンウェハ上に積層された多結晶シリコン膜のいずれか一方、若しくは両方を350℃以上450℃未満の温度に保った状態で、上記シリコンウェハ、多結晶シリコン膜の上層にコバルト層を積層することで、Co2Si膜を形成する第一の工程、上記Co2Si膜に対し、熱処理を行うことでCoSi2に変化させる第二の工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 上記第一の工程によって生成されるコバルトとシリコンの化合物は、Co2Siのみであ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。
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