JP4102709B2

JP4102709B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP4102709B2
Application number: JP2003158593A
Authority: JP
Inventors: 勇西村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004363258A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、拡散層の浅接合化に対応した半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの微細化とともに、ソース・ドレインとなる拡散層の接合深さは浅くなる傾向にある。しかし、拡散層が浅くなると拡散層抵抗が増大し、デバイス特性に与える寄生抵抗の影響が無視できなくなる。そこで、このような拡散層の極浅化に伴う抵抗の増大に対処するために、金属シリサイド層を形成することが行われている。
【０００３】
金属シリサイド層は、金属をソース・ドレイン領域やゲート電極の上に堆積した後に加熱処理を行い、シリコンと金属とを反応させることによって形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような加熱処理では、シリサイド化反応と同時に金属の拡散も起こる。これにより、拡散した金属がソース・ドレインの接合部に到達して、接合リーク電流が発生するという問題があった。また、同様に、金属がゲート電極から下地の絶縁膜に達して、絶縁膜の信頼性が低下するという問題もあった。
【０００５】
このような問題に対して、従来は、金属シリサイド層の膜厚を小さくすることが行われてきた。しかしながら、従来の金属シリサイド層は平滑性に劣り、半導体装置の電気的特性を低下させるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、金属の拡散を抑えることによって接合リーク電流の発生を抑制するとともに、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、薄くて平滑性に優れた金属シリサイド膜を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してシリコンからなるゲート電極を形成する工程と、シリコン基板に不純物を注入して、ゲート電極を挟む領域にソースまたはドレインとなる拡散層を形成する工程と、少なくともゲート電極および拡散層の上に１５０℃以下の温度で金属膜を成膜し、ゲート電極および拡散層の上部に金属とシリコンとの固溶体層を形成する工程と、加熱を行わずに固溶体層を残して金属膜を除去する工程と、固溶体層に加熱処理を施すことによって、ゲート電極および拡散層の上部に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している。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を成膜する工程は２５℃〜１００℃の範囲内の温度で行われることが好ましい。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属膜を成膜する工程の前に、ゲート電極および拡散層の表面をプラズマ処理することによってアモルファス化する工程をさらに有することができる。このアモルファス化する工程は、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノンおよび窒素よりなる群から選ばれる１のガスを用いて行うことができる。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜は、ニッケル膜、コバルト膜、チタン膜、モリブデン膜、ジルコニウム膜、ハフニウム膜、タングステン膜、タンタル膜、ルテニウム膜、白金膜、イリジウム膜および金膜よりなる群から選ばれる１の膜とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１〜図１０は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の一例を示したものである。
【００１５】
まず、図１に示すように、シリコン基板１の表面の所定領域に素子分離領域２を形成する。
【００１６】
例えば、シリコン基板の表面を酸化して酸化膜を形成した後に、化学気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，以下、ＣＶＤ法という。）などによって、窒化シリコン膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの酸化防止膜を堆積する。次に、フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて、素子分離となる領域の酸化膜および酸化防止膜を除去し、シリコン基板の表面を露出させる。この後、シリコン基板を加熱炉内に入れて、シリコン基板の表面を熱酸化させる。この際、酸化防止膜を形成した領域ではシリコンの酸化反応は起こらないが、酸化膜および酸化防止膜が除去された領域ではシリコンが酸化して厚い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を生成する。その後、素子形成領域の不要となった酸化膜および酸化防止膜を除去し、厚い酸化シリコンが形成されている領域を素子分離領域とすることができる。
【００１７】
次に、図２に示すように、シリコン基板１上に、ゲート絶縁膜３を介してゲート電極４を形成する。
【００１８】
例えば、シリコン基板を加熱炉内に入れ、熱酸化によって表面に酸化シリコン膜を形成する。続いて、酸化シリコン膜の上に、ＣＶＤ法などによってポリシリコン膜を堆積する。次に、フォトリソグラフィー法を用いてゲート電極パターンマスクを形成した後、ポリシリコン膜を異方性エッチングする。その後、フッ酸（ＨＦ）によってゲート電極下以外の酸化シリコン膜を除去する。以上の工程によって、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成することができる。ポリシリコン膜の代わりにアモルファスシリコン膜を用いてもよい。
【００１９】
次に、図３に示すように、ゲート電極４をマスクとしたセルフアラインによって、シリコン基板１に浅い拡散層５を形成する。
【００２０】
例えば、イオン注入法によって、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物を注入する。ゲート電極下の部分には不純物が添加されないので、ソースおよびドレインの２つの部分に分かれた浅い拡散層を形成することができる。注入後、適当な条件で加熱処理を行うことによって、注入したイオン種を活性化するとともに、所望の不純物濃度プロファイルとなるようにする。
【００２１】
次に、図４に示すように、ゲート電極４の側壁部にサイドウォール６を形成する。
【００２２】
例えば、ＣＶＤ法などによって窒化シリコン膜を全面に堆積した後、この窒化シリコン膜を異方性エッチングする。これにより、サイドウォールを形成することができる。
【００２３】
次に、図５に示すように、ゲート電極４を挟む領域にソースまたはドレインとなる深い拡散層７を形成する。具体的には、ゲート電極４およびサイドウォール６をマスクとして自己整合的にシリコン基板１に不純物を注入することによって形成される。
【００２４】
例えば、ｎ型不純物としてリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）などを用いて、イオン注入法などによって不純物を注入する。ゲート電極およびサイドウォールの下の部分には不純物が添加されないので、ソースおよびドレインの２つの部分に分かれた拡散層を形成することができる。注入後、適当な条件で加熱処理を行うことによって、注入したイオン種を活性化するとともに、所望の不純物濃度プロファイルとなるようにする。尚、拡散層の深さは、打ち込むイオンのエネルギー量を変えることによって制御することができる。
【００２５】
次に、ゲート電極４および深い拡散層７の上に形成されている図示しない自然酸化膜（酸化シリコン膜）を希フッ酸などによって除去した後、金属シリサイド層形成工程へと進む。
【００２６】
まず、少なくともゲート電極４および深い拡散層７の上に、金属シリサイド層を形成するための金属膜８を形成する（図６）。例えば、スパッタリング法などによって、ゲート電極４を含むシリコン基板１の主面全面に金属膜８を成膜する。金属膜８としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜、コバルト（Ｃｏ）膜、チタン（Ｔｉ）膜、モリブデン（Ｍｏ）膜、ジルコニウム（Ｚｒ）膜、ハフニウム（Ｈｆ）膜、タングステン（Ｗ）膜、タンタル（Ｔａ）膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜、白金（Ｐｔ）膜、イリジウム（Ｉｒ）膜または金（Ａｕ）膜などを用いることができる。金属膜８を形成すると、シリコンと接している部分（深い拡散層７およびゲート電極４の表面）において金属がシリコンに固溶し、膜厚５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の固溶体層９を形成する。ここで、固溶体層９は、アモルファス層若しくは微結晶層またはこれらの混合体からなる層である。
【００２７】
金属シリサイド層は、シリコンと金属の固溶層でシリサイド化反応が起こることによって形成される。また、金属シリサイド層は、シリコンと前記固溶層との間でシリサイド化反応が起こることによっても形成される。ここで、シリコン基板１の上に金属膜８を形成しただけでは、基本的にシリサイド化反応は起こらない。シリサイド化反応を起こすためには、さらに加熱処理を施す必要がある。
【００２８】
ところで、金属原子は、シリコンに固溶して固溶体を形成する一方で、シリコン中を拡散していく。拡散した金属原子がソース・ドレインの接合部に到達した場合には、接合リーク電流発生の原因となる。また、金属原子がゲート電極を経てゲート絶縁膜に到達した場合には、ゲート絶縁膜の信頼性低下の原因となる。ここで、金属原子の拡散長は、固溶体が形成される温度が高くなると指数関数的に増大する。したがって、金属原子の拡散を抑えるためには、第１に、固溶体の形成を低温で行うことが必要である。また、金属原子は、シリコンと反応して金属シリサイドになると拡散を起こさなくなる。したがって、第２に、シリサイド化反応の際に存在する金属原子を全て金属シリサイドに変えて、フリーの金属原子を残さないようにすることが必要である。
【００２９】
本発明は、金属膜８の成膜を低温で行うとともに、シリサイド化反応のための加熱処理の前に、加熱を行わずにシリコンに固溶していない金属を除去することを特徴としている。金属膜８の成膜は、１５０℃以下の温度で行うことが好ましく、室温（２５℃程度）〜１００℃程度の範囲内の温度で行うことがより好ましい。尚、シリコンと金属との固溶体層９を形成することのできる温度であれば２５℃以下の温度であってもよい。また、シリコンに固溶していない金属の除去は、例えば、硫酸過水洗浄およびアンモニア過水洗浄を行うことによって達成される。図７は、シリコンに固溶していない金属を除去した後の断面図である。その後、シリサイド化反応のための加熱処理を行うことによって、深い拡散層７およびゲート電極４の上に金属シリサイド層１０が形成される（図８）。この加熱処理によって加えられた熱エネルギーは、金属とシリコンとの固溶体の自由エネルギーを最小にするために金属シリサイド層の形成に使われる。したがって、シリサイド化工程における金属の熱拡散は抑制される。
【００３０】
金属膜８の成膜を１５０℃以下の温度で行うことによって、金属原子の拡散を抑制しつつ、シリコン基板１に形成された深い拡散層７およびゲート電極４の表面にシリコンと金属との固溶体層９を形成することができる。また、シリコンに固溶していない金属を除去することによって、拡散の原因となるフリーの金属原子を除くことができる。したがって、シリサイド化反応のための加熱処理工程において、金属の拡散を抑えながら、固溶体層９中の金属とシリコンとを反応させて金属シリサイド層を形成することができる。
【００３１】
本発明において、金属膜を成膜することによって形成された固溶体層の膜厚は５ｎｍ〜１０ｎｍ程度と薄いので、これをシリサイド化することによって得られる金属シリサイド層の膜厚も比較的薄いものとなる。換言すると、本発明は、薄い金属膜を成膜することによって薄い金属シリサイド膜を形成する従来法と異なり、金属膜とシリコン層との界面付近に形成された固溶体層をシリサイド化することによって、薄い金属シリサイド層を形成するものである。従来法では、金属膜の膜厚のばらつきは数ｎｍと大きなものになるが、本発明によれば膜厚の均一な金属シリサイド層を形成することができる。
【００３２】
また、本発明においては、金属膜を成膜する前にプラズマ処理することによって、深い拡散層およびゲート電極の表面をアモルファス化してもよい。アモルファス化することによってシリサイド化反応を起こりやすくすることができるので、シリサイド化の際の加熱処理の温度を低くすることができる。また、アモルファス層の深さを変えることによって、金属が拡散する深さを制御することもできる。
【００３３】
アモルファス化は、具体的には、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガスまたは窒素（Ｎ_２）ガスなどを用い、シリコンの表面にイオン注入することによって行うことができる。この際、イオンが注入される深さを変えることによって、アモルファス層の深さを変えることができる。尚、イオン注入は、例えば、イオン加速器およびプラズマドーピングによって行うことができる。
【００３４】
１つの例として、図５に示す半導体装置において、深い拡散層７およびゲート電極４の表面の自然酸化膜を希フッ酸を用いて除去する。続いて、アルゴンガスを用いたプラズマ処理によってアモルファス化した後に、１５０℃以下の温度でニッケル（Ｎｉ）膜を全面に成膜する。ニッケル膜の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。次に、硫酸過水洗浄およびアンモニア過水洗浄を行うことによって、シリコンと固溶していないニッケルを除去する。これにより、シリコン基板に形成された深い拡散層およびゲート電極の上にのみシリコンとニッケルとの固溶体層が残る。続いて、２００℃〜４５０℃程度の範囲内の温度で加熱処理を行うことによって、ニッケルシリサイド（Ｎｉ_２ＳｉまたはＮｉＳｉ）層が形成される。
【００３５】
また、他の例として、図５に示す半導体装置において、深い拡散層７およびゲート電極４の表面の自然酸化膜を希フッ酸を用いて除去する。続いて、アルゴンガスを用いたプラズマ処理によってアモルファス化した後に、１５０℃以下の温度でコバルト（Ｃｏ）膜を全面に成膜する。コバルト膜の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。次に、硫酸過水洗浄およびアンモニア過水洗浄を行うことによって、シリコンと固溶していないコバルトを除去する。これにより、シリコン基板に形成された深い拡散層およびゲート電極の上にのみシリコンとコバルトとの固溶体層が残る。続いて、４００℃〜５５０℃程度の範囲内の温度で加熱処理を行うことによって、コバルトシリサイド（Ｃｏ_２ＳｉおよびＣｏＳｉ）層が形成される。尚、６２０℃〜８５０℃程度の範囲内の温度で加熱処理を行った場合には、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ_２）層が形成される。
【００３６】
図１１は、シリコン基板の表面をアルゴンプラズマで処理した後にニッケル膜を２５℃程度の室温で成膜した試料の一部断面図である。また、表１は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用い、図１１の試料におけるＡ、Ｂ、ＣおよびＤの各層について成分分析を行った結果の一例である。
【００３７】
【表１】

【００３８】
図１１および表１において、Ａ層はニッケル層、Ｂ層およびＣ層がニッケルとシリコンの固溶体層、Ｄ層がシリコン層である。
【００３９】
以上述べたように、シリコンと固溶していない金属膜を除去した後にシリサイド化反応を行うことによって、図８に示すように、ゲート電極４および深い拡散層７の上に金属シリサイド層１０を形成することができる。
【００４０】
続いて、図９に示すように、ゲート電極４を埋め込むようにして層間絶縁膜１１を形成する。層間絶縁膜は、例えば、酸化シリコン膜からなる単層構造を有していてもよいし、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜からなる積層構造を有していてもよい。
【００４１】
次に、フォトリソグラフィー工程を用いて層間絶縁膜１１にコンタクト１２を形成した後、配線層１３を形成して図１０に示す構造とする。その後、半導体装置の製造に必要な公知の工程を経ることによって、本発明による半導体装置を製造することができる。
【００４２】
本実施の形態によれば、金属膜を成膜することによって、ソース・ドレイン領域およびゲート電極の表面にシリコンと金属との固溶体層を形成することができる。また、この際の成膜温度を１５０℃以下の低温とすることによって、金属原子の熱拡散を抑制することができる。
【００４３】
また、本実施の形態によれば、シリサイド化反応の前にシリコンと固溶していない金属を除去することによって、フリーの金属原子の数を減らして金属拡散を抑制することができる。
【００４４】
さらに、本実施の形態によれば、固溶体層を加熱処理することによって、膜厚が小さく平滑性に優れた金属シリサイド層を形成することができる。したがって、電気的特性に優れた半導体装置を製造することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、金属の拡散を抑えて、接合リーク電流の発生することがなく、絶縁膜の信頼性にも優れた半導体装置を製造することができる。
【００４６】
また、本発明によれば、均一な膜厚の金属シリサイド膜を形成することができるので、良好な素子特性を有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図８】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図９】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本実施の形態における半導体装置において固溶体層付近の断面図の一例である。
【符号の説明】
１シリコン基板、２素子分離領域、３ゲート絶縁膜、４ゲート電極、５浅い拡散層、６サイドウォール、７深い拡散層、８金属膜、９固溶体層、１０金属シリサイド層、１１層間絶縁膜、１２コンタクト、１３配線層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device corresponding to shallow junction of a diffusion layer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices, the junction depth of the diffusion layers serving as the source / drain tends to be shallow. However, as the diffusion layer becomes shallower, the diffusion layer resistance increases, and the influence of parasitic resistance on device characteristics cannot be ignored. Therefore, in order to cope with such an increase in resistance due to the shallowing of the diffusion layer, a metal silicide layer is formed.
[0003]
The metal silicide layer is formed by reacting silicon and metal by performing heat treatment after depositing metal on the source / drain regions and the gate electrode.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a heat treatment, metal diffusion also occurs simultaneously with the silicidation reaction. As a result, the diffused metal reaches the source / drain junction, causing a problem of junction leakage current. Similarly, there is a problem in that the metal reaches the underlying insulating film from the gate electrode and the reliability of the insulating film decreases.
[0005]
Conventionally, to reduce such a problem, the thickness of the metal silicide layer has been reduced. However, the conventional metal silicide layer is inferior in smoothness and has a problem of deteriorating the electrical characteristics of the semiconductor device.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device with high reliability while suppressing the occurrence of junction leakage current by suppressing metal diffusion.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a thin metal silicide film with excellent smoothness.
[0008]
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate electrode made of silicon on a silicon substrate through a gate insulating film, an impurity is implanted into the silicon substrate, and a source or a drain is formed in a region sandwiching the gate electrode. Forming a diffusion layer, and forming a metal film at least on the gate electrode and the diffusion layer at a temperature of 150 ° C. or lower and forming a solid solution layer of metal and silicon on the gate electrode and the diffusion layer And a step of removing the metal film leaving the solid solution layer without heating, and a step of forming a metal silicide layer on the gate electrode and the diffusion layer by subjecting the solid solution layer to a heat treatment. It is a feature.
[0010]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the metal film is preferably performed at a temperature in the range of 25 ° C to 100 ° C.
[0011]
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can further include a step of amorphizing the surface of the gate electrode and the diffusion layer by plasma treatment before the step of forming the metal film. This amorphization step can be performed using one gas selected from the group consisting of argon, helium, krypton, xenon and nitrogen.
[0012]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the metal film is a nickel film, a cobalt film, a titanium film, a molybdenum film, a zirconium film, a hafnium film, a tungsten film, a tantalum film, a ruthenium film, a platinum film, an iridium film, or a gold film. One film selected from the group consisting of:
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
1 to 10 show an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
[0015]
First, as shown in FIG. 1, an element isolation region 2 is formed in a predetermined region on the surface of the silicon substrate 1.
[0016]
For example, after an oxide film is formed by oxidizing the surface of a silicon substrate, an oxidation prevention of a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ) or the like is performed by a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method) or the like. Deposit a film. Next, by using a photolithography method and an etching method, the oxide film and the anti-oxidation film in the region for element isolation are removed, and the surface of the silicon substrate is exposed. Thereafter, the silicon substrate is placed in a heating furnace, and the surface of the silicon substrate is thermally oxidized. At this time, although the oxidation reaction of silicon does not occur in the region where the antioxidant film is formed, the silicon is oxidized in the region where the oxide film and the antioxidant film are removed, and thick silicon oxide (SiO ₂ ) is generated. Thereafter, the oxide film and the antioxidant film which are no longer necessary in the element formation region are removed, and the region where the thick silicon oxide is formed can be used as the element isolation region.
[0017]
Next, as shown in FIG. 2, a gate electrode 4 is formed on the silicon substrate 1 with a gate insulating film 3 interposed therebetween.
[0018]
For example, a silicon substrate is placed in a heating furnace, and a silicon oxide film is formed on the surface by thermal oxidation. Subsequently, a polysilicon film is deposited on the silicon oxide film by a CVD method or the like. Next, after forming a gate electrode pattern mask using a photolithography method, the polysilicon film is anisotropically etched. Thereafter, the silicon oxide film except under the gate electrode is removed by hydrofluoric acid (HF). Through the above steps, a gate insulating film and a gate electrode can be formed. An amorphous silicon film may be used instead of the polysilicon film.
[0019]
Next, as shown in FIG. 3, a shallow diffusion layer 5 is formed on the silicon substrate 1 by self-alignment using the gate electrode 4 as a mask.
[0020]
For example, an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is implanted by an ion implantation method. Since no impurity is added to the portion under the gate electrode, a shallow diffusion layer divided into two portions of a source and a drain can be formed. After the implantation, heat treatment is performed under appropriate conditions to activate the implanted ion species and achieve a desired impurity concentration profile.
[0021]
Next, as shown in FIG. 4, sidewalls 6 are formed on the sidewall portions of the gate electrode 4.
[0022]
For example, after a silicon nitride film is deposited on the entire surface by CVD or the like, the silicon nitride film is anisotropically etched. Thereby, a sidewall can be formed.
[0023]
Next, as shown in FIG. 5, a deep diffusion layer 7 serving as a source or drain is formed in a region sandwiching the gate electrode 4. Specifically, it is formed by implanting impurities into the silicon substrate 1 in a self-aligning manner using the gate electrode 4 and the sidewall 6 as a mask.
[0024]
For example, phosphorus (P) or arsenic (As) is used as the n-type impurity, and the impurity is implanted by an ion implantation method or the like. Since no impurity is added to the portion under the gate electrode and the sidewall, a diffusion layer divided into two portions of a source and a drain can be formed. After the implantation, heat treatment is performed under appropriate conditions to activate the implanted ion species and achieve a desired impurity concentration profile. The depth of the diffusion layer can be controlled by changing the energy amount of ions to be implanted.
[0025]
Next, after removing a natural oxide film (silicon oxide film) (not shown) formed on the gate electrode 4 and the deep diffusion layer 7 with dilute hydrofluoric acid or the like, the process proceeds to a metal silicide layer forming step.
[0026]
First, a metal film 8 for forming a metal silicide layer is formed on at least the gate electrode 4 and the deep diffusion layer 7 (FIG. 6). For example, the metal film 8 is formed on the entire main surface of the silicon substrate 1 including the gate electrode 4 by sputtering or the like. Examples of the metal film 8 include a nickel (Ni) film, a cobalt (Co) film, a titanium (Ti) film, a molybdenum (Mo) film, a zirconium (Zr) film, a hafnium (Hf) film, a tungsten (W) film, A tantalum (Ta) film, a ruthenium (Ru) film, a platinum (Pt) film, an iridium (Ir) film, a gold (Au) film, or the like can be used. When the metal film 8 is formed, the metal dissolves in silicon at the portion in contact with silicon (the surface of the deep diffusion layer 7 and the gate electrode 4), thereby forming a solid solution layer 9 having a film thickness of about 5 nm to 10 nm. Here, the solid solution layer 9 is a layer made of an amorphous layer, a microcrystalline layer, or a mixture thereof.
[0027]
The metal silicide layer is formed by a silicidation reaction occurring in a solid solution layer of silicon and metal. The metal silicide layer is also formed by a silicidation reaction between silicon and the solid solution layer. Here, merely forming the metal film 8 on the silicon substrate 1 basically does not cause a silicidation reaction. In order to cause the silicidation reaction, it is necessary to further perform heat treatment.
[0028]
By the way, metal atoms are dissolved in silicon to form a solid solution, while diffusing in silicon. When the diffused metal atoms reach the source / drain junction, it causes junction leakage current. In addition, when metal atoms reach the gate insulating film through the gate electrode, the reliability of the gate insulating film is reduced. Here, the diffusion length of the metal atom increases exponentially as the temperature at which the solid solution is formed increases. Therefore, in order to suppress the diffusion of metal atoms, first, it is necessary to form a solid solution at a low temperature. In addition, metal atoms do not cause diffusion when they react with silicon and become metal silicide. Therefore, secondly, it is necessary to change all metal atoms present in the silicidation reaction to metal silicide so that no free metal atoms remain.
[0029]
The present invention is characterized in that the metal film 8 is formed at a low temperature and the metal not dissolved in silicon is removed without heating before the heat treatment for silicidation reaction. The metal film 8 is preferably formed at a temperature of 150 ° C. or lower, and more preferably at a temperature within a range of room temperature (about 25 ° C.) to about 100 ° C. The temperature may be 25 ° C. or lower as long as the solid solution layer 9 of silicon and metal can be formed. Moreover, the removal of the metal not dissolved in silicon is achieved, for example, by performing sulfuric acid / hydrogen peroxide cleaning and ammonia hydrogen peroxide cleaning. FIG. 7 is a cross-sectional view after removing a metal not dissolved in silicon. Thereafter, a heat treatment for silicidation reaction is performed to form a metal silicide layer 10 on the deep diffusion layer 7 and the gate electrode 4 (FIG. 8). The thermal energy applied by this heat treatment is used to form a metal silicide layer in order to minimize the free energy of the solid solution of metal and silicon. Therefore, metal thermal diffusion in the silicidation process is suppressed.
[0030]
By forming the metal film 8 at a temperature of 150 ° C. or less, a solid solution of silicon and metal is formed on the surface of the deep diffusion layer 7 and the gate electrode 4 formed on the silicon substrate 1 while suppressing diffusion of metal atoms. Layer 9 can be formed. Further, by removing the metal not dissolved in silicon, free metal atoms that cause diffusion can be removed. Therefore, in the heat treatment step for silicidation reaction, the metal in the solid solution layer 9 can be reacted with silicon while the metal diffusion is suppressed to form a metal silicide layer.
[0031]
In the present invention, since the film thickness of the solid solution layer formed by forming the metal film is as thin as about 5 nm to 10 nm, the film thickness of the metal silicide layer obtained by silicidizing the metal film is relatively thin. Become. In other words, the present invention differs from the conventional method of forming a thin metal silicide film by forming a thin metal film, and by siliciding a solid solution layer formed near the interface between the metal film and the silicon layer, A thin metal silicide layer is formed. In the conventional method, the variation in the thickness of the metal film is as large as several nm, but according to the present invention, a metal silicide layer having a uniform thickness can be formed.
[0032]
In the present invention, the surface of the deep diffusion layer and the gate electrode may be made amorphous by performing plasma treatment before forming the metal film. Amorphization can facilitate the silicidation reaction, so that the temperature of the heat treatment during silicidation can be lowered. Further, the depth at which the metal diffuses can be controlled by changing the depth of the amorphous layer.
[0033]
Specifically, the amorphization is performed by ion implantation on the surface of silicon using an inert gas such as argon (Ar), helium (He), krypton (Kr), and xenon (Xe) or nitrogen (N ₂ ) gas. Can be done. At this time, the depth of the amorphous layer can be changed by changing the depth at which ions are implanted. The ion implantation can be performed by, for example, an ion accelerator and plasma doping.
[0034]
As an example, in the semiconductor device shown in FIG. 5, the deep oxide layer 7 and the natural oxide film on the surface of the gate electrode 4 are removed using dilute hydrofluoric acid. Subsequently, after being amorphousized by plasma treatment using argon gas, a nickel (Ni) film is formed on the entire surface at a temperature of 150 ° C. or lower. The film thickness of the nickel film can be about 20 nm, for example. Next, nickel not dissolved in silicon is removed by washing with sulfuric acid and water. As a result, a solid solution layer of silicon and nickel remains only on the deep diffusion layer and the gate electrode formed on the silicon substrate. Subsequently, a nickel silicide (Ni ₂ Si or NiSi) layer is formed by performing heat treatment at a temperature within a range of about 200 ° C. to 450 ° C.
[0035]
As another example, in the semiconductor device shown in FIG. 5, the deep oxide layer 7 and the natural oxide film on the surface of the gate electrode 4 are removed using dilute hydrofluoric acid. Subsequently, after being amorphized by plasma treatment using argon gas, a cobalt (Co) film is formed on the entire surface at a temperature of 150 ° C. or lower. The film thickness of the cobalt film can be about 20 nm, for example. Next, cobalt that is not solid-solved with silicon is removed by washing with sulfuric acid and water and ammonia. Thus, a solid solution layer of silicon and cobalt remains only on the deep diffusion layer and the gate electrode formed on the silicon substrate. Subsequently, a heat treatment is performed at a temperature in the range of about 400 ° C. to 550 ° C., thereby forming a cobalt silicide (Co ₂ Si and CoSi) layer. When heat treatment is performed at a temperature in the range of about 620 ° C. to 850 ° C., a cobalt silicide (CoSi ₂ ) layer is formed.
[0036]
FIG. 11 is a partial cross-sectional view of a sample in which a nickel film is formed at room temperature of about 25 ° C. after the surface of the silicon substrate is treated with argon plasma. Table 1 shows an example of the result of component analysis performed on each of layers A, B, C, and D in the sample of FIG. 11 using a TEM (transmission electron microscope).
[0037]
[Table 1]

[0038]
11 and Table 1, the A layer is a nickel layer, the B layer and the C layer are solid solution layers of nickel and silicon, and the D layer is a silicon layer.
[0039]
As described above, the metal silicide layer 10 is formed on the gate electrode 4 and the deep diffusion layer 7 as shown in FIG. Can be formed.
[0040]
Subsequently, as shown in FIG. 9, an interlayer insulating film 11 is formed so as to embed the gate electrode 4. The interlayer insulating film may have, for example, a single layer structure made of a silicon oxide film, or may have a laminated structure made of a silicon nitride film and a silicon oxide film.
[0041]
Next, after a contact 12 is formed on the interlayer insulating film 11 using a photolithography process, a wiring layer 13 is formed to obtain the structure shown in FIG. Thereafter, the semiconductor device according to the present invention can be manufactured through known steps necessary for manufacturing the semiconductor device.
[0042]
According to the present embodiment, a solid solution layer of silicon and metal can be formed on the surfaces of the source / drain regions and the gate electrode by forming the metal film. Moreover, the thermal diffusion of metal atoms can be suppressed by setting the film forming temperature at this time to a low temperature of 150 ° C. or lower.
[0043]
Further, according to the present embodiment, by removing the metal that is not dissolved in silicon before the silicidation reaction, it is possible to reduce the number of free metal atoms and suppress metal diffusion.
[0044]
Furthermore, according to the present embodiment, a metal silicide layer having a small film thickness and excellent smoothness can be formed by heat-treating the solid solution layer. Therefore, a semiconductor device with excellent electrical characteristics can be manufactured.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to manufacture a semiconductor device in which metal diffusion is suppressed, junction leakage current is not generated, and the insulating film has excellent reliability.
[0046]
In addition, according to the present invention, since a metal silicide film having a uniform thickness can be formed, a semiconductor device having good element characteristics can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device in an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment;
6 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment; FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment;
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment;
10 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the present embodiment; FIG.
FIG. 11 is an example of a cross-sectional view in the vicinity of a solid solution layer in the semiconductor device of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate, 2 Element isolation region, 3 Gate insulating film, 4 Gate electrode, 5 Shallow diffused layer, 6 Side wall, 7 Deep diffused layer, 8 Metal film, 9 Solid solution layer, 10 Metal silicide layer, 11 Interlayer insulating film, 12 contacts, 13 wiring layers.

Claims

Forming a gate electrode made of silicon on a silicon substrate via a gate insulating film;
Injecting impurities into the silicon substrate, and forming a diffusion layer serving as a source or drain in a region sandwiching the gate electrode;
Forming a metal film at least on the gate electrode and the diffusion layer at a temperature of 150 ° C. or less, and forming a solid solution layer of metal and silicon on the gate electrode and the diffusion layer;
Removing the metal film leaving the solid solution layer without heating;
And a step of forming a metal silicide layer on the gate electrode and the diffusion layer by subjecting the solid solution layer to a heat treatment.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of forming the metal film is performed at a temperature within a range of 25 ° C. to 100 ° C.

3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of amorphizing the surface of the gate electrode and the diffusion layer by plasma treatment before the step of forming the metal film.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the amorphization step is performed using one gas selected from the group consisting of argon, helium, krypton, xenon, and nitrogen.

The metal film is a film selected from the group consisting of a nickel film, a cobalt film, a titanium film, a molybdenum film, a zirconium film, a hafnium film, a tungsten film, a tantalum film, a ruthenium film, a platinum film, an iridium film, and a gold film. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Claims 1-4.