JP4301138B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。特に、電極上にオフセット膜が形成された構造を有する半導体装置の製造方法に関するものである。
半導体装置の電極上にオフセット膜が形成された構造としては、例えばゲート電極上にCVD酸化膜を形成してオフセット膜とすることなどが行われている。
ところで、ゲート電極として、少なくともその上層にシリサイド層を形成した構造のものが知られている。例えば、ポリSi層上に高融点金属シリサイド層を形成して、ゲート構造とすることが知られており、このようなゲート構造はポリサイド構造と称されている。(ポリサイド構造については、例えば月刊Semiconductor
World 1992,12の「CVD−WSiのULSIポリサイドアプリケーション」(216頁〜)参照)。
ところが、電極の上層が上記のようなシリサイドである場合、該シリサイドにおいて「剥がれ」が生じることがある。これは、その上にオフセット膜を形成する場合に更に顕著である。
このようなシリサイド層における「剥がれ」は、タングステンシリサイド(以下WSixあるいは単にWSiと記すこともある)について典型的に生ずるので、以下WSixについてその剥がれの問題を説明する。
WSixには、代表的には、低温で形成できるモノシラン系のLT−WSixとスパックWSixがあり、また高温でカバレージが良く形成できかつフッ素含有量を減らせるジクロルシラン系HT−WSixがある。ここでは従来多用されてきたLT−WSixについて知られている物性をもとに記述する。
SiH系低温WSix(x=2,4〜2,6〜2,8のような各組成をとる)は、Nアニール後の組成はx=2.2程度で、過剰Siは膜の下に析出する。
形成されたWSix中のフッ素含有量は、椎積時で2〜5E20Fatoms/cm程度であり、E21以上の含有では剥離する。Nアニール後にWSix/PolySi界面にE19程度存在する。酸化膜界面ではE21オーダーで偏析する。
WSix膜の耐ストレス性は、膜厚が〜500nm以上で剥離する。引っ張り応力は、〜17E8Pa、700℃以上の熱処理後での引っ張り応力は11E8Paである。
結晶性は、堆積時はアモルファス、熱処理後の結晶相変化は、〜600℃までhexagonal構造、〜700℃でtetragonal構造に相転移する。結晶子径は、Nアニールの温度や処理時間によるが、40〜450nm程度である。
ステップカバレッジ(被覆性)は、アスペクト比1までは70%のステップカバレッジが得られるが、生成のために気相反応領域の反応を使っているため、アスペクト比2では20〜30%と急激に悪化する。
WSixの酸化物については、低級酸化物WOxは、タングステンブルーに代表されるように大気中の水分等と反応しやすく、25℃でも昇華する。酸化物は各種変態を持ち、数種類の組成を持つ。安定な酸化膜はオレンジ色に発色する。(フッ素等のハロゲン化合物も蒸気圧が高い。)
上記のようなWSixがポリSi上で剥離を生じるのは、ポリSi上に自然酸化膜(n−SiO)が生成していることが大きな要因と考えられる。ポリSi上のn−SiOの成長は、例えばPをドープしたポリSiについては、Si基板の2〜4倍の増速酸化する。ドーパントが入ると、更に厚く形成し、AsやBがドーピングされたポリSi上のn−SiOについては、そのエッチングレートが遅くなる。
酸化膜の耐圧は無い。パイロ酸化は、ほとんどn−SiO並の、ドライ酸化で生成したものも、CVDSiO以下である。
WSixの剥がれは、その一般的な形態としては、次のように考えることができる。WSixの剥がれ過程の形態は、(a)剥がれ初期がrifting(開裂)、過渡期がcracking(割れ)、最終段階がpeeling(むけ)という場合と、rifting、次いでfoaming(発泡)、次いでexplosion(破裂)の場合の2種類が一般的に分類できる。出発形態は同じであるので、riftingの発生について述べる。
従来のWSixは剥がれ構造の概要としては、WSixに関しては、
1)WSixの形成
2)ポリサイド(Polycide)ドライエッチング
3)LDD領域形成用のCVD−SiO形成
4)LDDエッチバック
5)WSix露出面への2度目のSiO(キャッピング用SiO、以下キャップ−SiOと称する)形成
の5つの段階で剥がれが発見され、その後キャップ−SiOが被覆された後での剥離の報告は従来は無い。
その中で
2)ポリサイド(Polycide)ドライエッチング後、
3)LDD領域形成用のCVD−SiO形成、
4)LDDエッチバック
の3つの段階に関して言えば、はじめの工程での問題や、その物性から発生したものが多い。段階5)のみ、プロセス・モジュールにおける組み合わせで発生したものが多い。発生した剥がれの具体的な状況は下記1.〜5.の如きものであった。
1.WSixの形成後に、
(イ)下地にベタ形成された酸化膜、あるいはポリSiから皮むけ状の剥がれを発生
(ロ)高濃度AsやBドープした下地密パターンの片隅のポリSiから気泡状に浮いた剥がれを発生
2.ポリサイドドライエッチング後に、
(イ)WSixの形成後に、高濃度ドーブした下地ポリSi密パターン下から剥がれを発生
(ロ)ポリサイド構造の異なるウエーハ周辺の狭いパターンで剥がれを発生
3.LDDCVD−SiO形成後に、
ポリサイドエッチング後すでにriftingし、剥がれを発見
4.LDDエッチバック後に、
ポリサイドエッチング後すでに微細にriftingし、LDDエッチバックではっきり剥がれを発見
5.WSix露出面に2度目のキャップ−SiO形成に、
(イ)パイロ酸化やTEOS等のCVD膜の膜厚によって、微細パターンで剥がれを発生
(ロ)WSixのSi組成小やWSix膜厚によって、微細パターンで剥がれを発生
上記したような剥がれ現象はいずれにしても防止しなければならないが、かかる剥がれ防止は、とりわけ、LDDのTEOS−SiO化のプロセス安定化のために、必須である。
WSixの形成後の剥がれとしては、WSixの形成後に、下地べタ状の酸化膜、ポリSiから皮むけ状剥がれを発生し、あるいは高濃度にAsやBをドープした下地密パターンの下隅のポリSiから気泡状に浮いた剥がれを発生するという、2点が最も初期段階に発生し、その後もたびたび経験されることである。
WSixの剥がれの内、クラックからビールに至るもので、SiO/WSix界面での剥がれは、(1)界面の低級WOxの昇華、(2)フッ素化合物の昇華、メンテナンス後にHF等発生、(3)WSixの組成変動界面がx=2.3以下(x=2.7以上は剥離しない)、(4)膜厚500nm以上ではストレス、がそれぞれ主たる原因である。
一方、気泡発生から膨張破壊に至った構造については、ポリSi/WSix形成後のアニールで段差パターンに発生したもの、あるいは微細パターンで膨れが発生するもので、ポリSiに例えばイオン注入As5E15/cm、BF 5E15/cmを行った後、通常のライトエッチングの場合、(1)低級WOxの昇華(n−SiOの残膜が厚かったような場合)、(2)段差部のストレス集中が原因となる。
WSix−ポリサイド構造のドライエツチバック後の剥がれには、次の2形態がある。
(1)WSixの形成後に、BF を高濃度ドープした下地ポリSi密パターン下から剥がれを発生
(2)ポリサイド構造の異なるウエーハ周辺の狭いパターンで剥がれを発生
剥がれが発生する構造が、ポリSi/WSixの場合、ドライエッチング後のウエーハエッジのパターンエッジにおいて剥がれが発生する。これは、SiO/ポリSi/WSix構造がエッジのみ異なっていた(エッジのみTEOSでキャッピングを行っていた)場合で、ストレス低減のため、全面打ちを行う場合、エッジのみ、ポリSiの膜厚が薄かったため、オーバーエッチングで、サイドエッチングが入ったことが原因となっている。また、BF2+イオン注入したものを、ドライエッチングしたことにより全面剥がれ発生するものは、イオン注入がBF2+5E15以上の場合であり、フッ素含有量が1E16以上(他のイオン種では考慮の必要が無かった)であることが原因とされる。
WSix露出面に2度目のキャップーSiO形成後に剥がれが生じるのは、(1)パイロ酸化やTEOS膜厚によって微細パターンで剥がれを発生
(2)WSixのSi組成小やWSix膜厚によって微紳パターンで剥がれを発生
の各場合である。

特開平3−18034号公報 特開平1−243471号公報 特開昭62−219558号公報 特開平6−31708号公報
本発明は、電極上にオフセット膜が形成された構造を有する場合について、シリサイド等の剥がれの問題点や、さらには膜質が水分を有する場合の問題点を解決して、安定した構造を有するものとした半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、下記構成をとることにより、上記目的を達成する。
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法は、
セルフ・アライン・コンタクトプロセスにより形成されるオフセット酸化膜付きゲート電極を有する半導体装置の製造方法において、
りんドープのポリシリコンからなる下層ポリシリコン層を形成し、その上にタングステンシリサイドからなる上層シリサイド層を形成し、
脱ガスを目的とした熱処理を行い、
その後該シリサイド層の上にシリコンナイトライドまたはシリコン・オキシ・ナイトライドを形成し、これを水分バリアー機能及び酸化と−OH基の拡散を防止する機能を有する水分バリアー層とし、この水分バリアー層の膜厚は酸化アニールと酸化膜膜厚とトランジスタ寿命とにより決定するものとし、さらにCVD酸化膜を形成し、これをオフセット膜とし、
このとき上記オフセット膜は、セルフ・アライン・コンタクトプロセスに適正な任意の膜厚で形成し、
更に上記下層ポリシリコン層と上記上層シリサイド層と上記CVD酸化膜からなるオフセット膜とからなる積層膜を加工してゲート電極構造とし、
該ゲート電極構造上に、更にシリコンナイトライドを形成しその後CVD酸化膜を形成 して積層膜を形成し、エッチバックにより該ゲート電極構造の側壁に水分バリアー性及び酸化と−OH基の拡散を防止する機能を有する層をなすシリコンナイトライドと、CVD酸化膜とからなる積層膜からなるスペーサーを形成し、
その後ソース/ドレインを形成する工程を備えた
ことを特徴とする半導体装置の製造方法
である。
本発明によれば、電極上にオフセット膜が形成された構造を有する場合について、シリサイド等の剥がれの問題点や、さらには膜質が水分を有する場合の問題点を解決して、安定した構造を有する半導体装置の製造方法を提供することができた。
なお、特開平6−267975号及び前掲の特開平3−18034号には、ゲート電極の側壁にシリコンナイトライドを形成してサイドウォールを形成する技術が開示されているが、この技術ではポリシリコン上面からの剥がれ防止はできず、また、この技術はオフセット膜形成の場合を考慮していない。
本発明においては、オフセット膜(例えばオフセット酸化膜)付き電極を有する構造において、電極上の酸化膜の形成方法やLDD酸化膜等の形成時に酸素バリアー等となるバリアー層(例えばSi膜)を挟んだ構造にすることにより、電極を形成する例えばWSixの微小剥がれによる各種不都合(例えばLDD−SiO形成時のWSix膜崩壊)を防止でき、併せて、その後に形成する層間膜からのゲートへの水分進入を防止し、トランジスタ特性の早期劣化を防止できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。なお当然のことではあるが、本発明は以下に述べる実施例により限定を受けるものではない。
実施例1
この実施例では、セルフ・アライン・コンタクト(SAC)プロセス等のオフセット酸化膜付き電極を有する半導体装置において、電極上の酸化膜の形成方法やLDD酸化膜の形成時に酸素バリアーとしてSi膜を挟んだ構造にすることにより、WSixの微小剥がれによるLDD−SiO形成時のWSix膜破壊を防止し、併せて、その後に形成する層間膜からのゲートへの水分進入を防止して、トランジスタ特性の早期劣化を少なくできる品質に作り込んだ構造を示す。
本実施例の半導体装置は、図1に示すように、電極1(本実施例ではMOS型トランジスタのゲート電極)上にオフセット膜2が形成された構造を有する半導体装置において、該電極1の少なくとも上層はシリサイド1bにより形成し、かつ該シリサイド1bの上にバリアー層3を介して上記オフセット膜2を形成したものである。
ここで、本実施例における上記シリサイド1bは、タングステンシリサイドである。
また本実施例における上記バリアー層3は、シリコンナイトライド層である。
本実施例の半導体装置の製造方法は、図2ないし図6に示すように、電極1上にオフセット膜2が形成された構造を有する半導体装置(図1参照)の製造方法において、電極材料1a,1bを成膜して、熱処理を行い、バリアー層3形成材料を成膜し、オフセット膜2形成材料(ここではLP−TEOS膜、150nm厚)を成膜する工程(図2、図3参照)を備えたものである。
ここで、上記電極材料の少なくとも最上層は、タングステンシリサイド1b(ここでは特にLT−WSix)であり、上記バリアー層3は、シリコンナイトライド層(ここでは特にLP−Si層、50nm厚)である。
本実施例においては、図1に示すように、オフセット酸化膜2付き電極1を有する半導体装置において、電極1上の酸化膜の形成やLDD酸化膜の形成時に酸素バリアーのためにバリアー層3としてSi膜を挟んだ構造にすることにより、WSix1bの微小剥がれによる.LDD−SiO形成時のWSix膜崩壊等を防止し、併せて、その後に形成する層間膜からのゲートへの水分進入を防止できるようにする。これによりトランジスタ特性の早期劣化を少なくできる。
ここでは具体的には、図2に示すLOCOS素子分離領域11が形成された半導体基板1(Si基板)上に、ゲート電極1材料のポリサイド1a,1b形成後、オフセット酸化膜2を形成する前に、CVD−WSixであれば少なくとも脱ガスを目的としたアニールを行う。併せて多結晶成長させてもよい。いずれにしても550℃以上の熱処理を加え、その後、シリコン・ナイトライド3を形成し、つづけてCVD酸化膜2(ここではTEOS−CVD膜)を形成し、オフセット絶縁膜とする(図3)。
その後、ゲートパターン4を、フォトレジストで形成する(図4)。次いでECRドライエッチング等でエッチング加工する(図5)。このとき、プロセスガスとしてBCl/Cl系ガスを用いたドライエッチングを採用できる。つづけて形成するLDD用の酸化膜に代えて、シリコン・ナイトライド5/CVD酸化膜6と言う積層膜を形成し(図6)、サイドスペーサー5a,6aとする(図1)
その後の工程でソース/ドレイン等の通常のトランジスタ作成工程を経て、半導体装置を完成する。本実施例によれば、水分を含有する層間膜を使っても、ナイトライド膜が、水分バリアーとしての役割を果たし、水分による悪影響を遮断することができる。
水分バリアーとなるためのナイトライドの膜厚は、酸化アニールと酸化膜膜厚とトランジスタ寿命によって決定されるが、通常は5〜100nmが使われる。余りに厚い膜は、ゲート電極に応力を与えることになるので好ましくない。また、薄膜で形成する場合は、Si−N基の結合ネットワークが膜内で切れ、バリアー性が無くなるおそれがあるので、薄い膜で形成する場合には数レイヤーで積層形成することが好まし
本実施例においてオフセット酸化膜は、形成上幾何学構造のみ問題が無ければ、任意の構成で使用できるようになる。上述のように、オフセット酸化膜により膜ガス等でシリサイド剥がれが生じるような問題が避けられるからである。
シリコンナイトライドは、トランジスタ特性に影響が無い程度にダメージが制御されていれば、Si−NやW−N等のボンド形成を目的とした、N、NH中でのアニールによって形成されても、あるいはプラズマ励起によるものでも、減圧加熱での形成によるSiでもよい。
更に詳しくは、本実施例では次の具体例デバイス作成フローを行う。
(1)図2に示すような、半導体基板(ここではSi基板)上に素子分離領域11としてLOCOSが形成された構造に、図3に示すように、ゲート絶縁膜12(SiO)形成、及びPドープのポリSi1aとLT−WSix1bを形成してゲート電極材料のポリサイド形成後、オフセット酸化膜を形成する前にCVD−WSixであれば少なくとも脱ガスを目的としたアニールを行い、併せて多結晶成長させてもよく、このための550℃以上の熱処理を加え、その後、シリコン・ナイトライド3を形成し、つづけてCVD酸化膜2を形成し、オフセット絶縁膜とする。以上で図3の構造が完成する。
(2)その後、ゲートパターン4を、フォトレジストで形成し、ECRドライエッチ等でエッチング加工する。これにより図5の構造を得る。つづけて形成するLDD用の酸化膜に代えて、シリコン・ナイトライド5/CVD酸化膜6と言う積層膜を形成し、図6の構造として、更にエッチバックによりサイドスぺ−サー5a,5bとする(図1参照)。
その後の工程でソース/ドレイン等の通常のトランジスタ作成工程を経て、MOS半導体装置とする。これら工程で水分を含有する層間膜を使っても、バリアー層3をなすナイトライド膜(及び本実施例ではサイドスペーサーとなっているナイトライド膜5a)が水分バリアーとなるので、水分による不都合は防止される。
オフセット絶縁膜やサイドウォールスペーサ絶縁膜構成については、本実施例では次の工程をとる。
(1)水分バリアーとなるバリアー層3のナイトライド膜厚は、酸化アニールと酸化膜膜厚とトランジスタ寿命によって決定される。通常は5〜100nmが使われる。余りに厚い膜はゲートの応用を与え好ましくない。また薄膜では、Si−N基の結合ネットワークが切れ、バリアー性が無くなるので、数レイヤー必要となる。
(2)バリアー層3としては、シリコンナイトライドでなくても、厚くすることで水分バリアーとできるならば、例えばプラズマ励起CVDや減圧CVDで、モノシランやNOやアンモニアを用いたシリコン・オキシ・ナイトライドを形成してこのバリアー層3とするのでもよい。
(3)酸化膜の形成方法は、通常のCVD酸化膜でよく、バリアー層が存在するので、水分含有が多くてもよい。また、比較的高温のTEOSの熱分解等で形成するものでもよい。また、膜厚制限も無いので、有利である。
(4)シリコン・ナイトライド膜の形成も、ジクロルシランとアンモニアの減圧CVDでも、比較的低温のモノシランとアンモニアによるプラズマ励起CVDで形成するものでもよい。
本実施例によれば、次の具体的効果を得ることができた。
即ち、オフセット酸化膜下やサイドウォール酸化膜下にシリコンナイトライドを形成することで、酸化や−OH基の拡散を阻止し、シリサイドの剥がれを防止できる。
また、上記によって、オフセット膜厚に制限が無くなり、任意の膜設計が行えるようになった。
更に、材料についても条件が緩和され、特に、酸化膜膜質に対する水分含有量に対し制限が無くなる。
また併せて、ゲート酸化膜の水分劣化が知られているが、上部層間膜からの進入経路をふさぐ構造になったので、低級酸化膜の成長に伴うトランジスタ特性に劣化が防止できる構造を提供でき、信頼性が構造から作り込める。
シリコンナイトライドには製法によらず水分バリアー性が有ることが知られているので、これも膜種を選ばないため、プロセスマージンが広いデバイスが低コストで設計できる。
実施例1の半導体装置を示す断面図である。 実施例1の半導体装置の製造工程を順に断面図で示すものである(1)。 実施例1の半導体装置の製造工程を順に断面図で示すものである(2)。 実施例1の半導体装置の製造工程を順に断面図で示すものである(3)。 実施例1の半導体装置の製造工程を順に断面図で示すものである(4)。 実施例1の半導体装置の製造工程を順に断面図で示すものである(5)。
符号の説明
1 電極構造(ゲート電極)
1a 電極材料(ポリSi)
1b (上層)電極材料(シリサイド、WSi)
2 オフセット膜(CVD酸化膜)
3 バリアー層(SiN)
4 ゲートパターン(フォトレジスト)
5a サイドスペーサー(SiW)
6a サイドスペーサー(酸化膜)

Claims (1)

  1. セルフ・アライン・コンタクトプロセスにより形成されるオフセット酸化膜付きゲート電極を有する半導体装置の製造方法において、
    りんドープのポリシリコンからなる下層ポリシリコン層を形成し、その上にタングステンシリサイドからなる上層シリサイド層を形成し、
    脱ガスを目的とした熱処理を行い、
    その後該シリサイド層の上にシリコンナイトライドまたはシリコン・オキシ・ナイトライドを形成し、これを水分バリアー機能及び酸化と−OH基の拡散を防止する機能を有する水分バリアー層とし、この水分バリアー層の膜厚は酸化アニールと酸化膜膜厚とトランジスタ寿命とにより決定するものとし、さらにCVD酸化膜を形成し、これをオフセット膜とし、
    このとき上記オフセット膜は、セルフ・アライン・コンタクトプロセスに適正な任意の膜厚で形成し、
    更に上記下層ポリシリコン層と上記上層シリサイド層と上記CVD酸化膜からなるオフセット膜とからなる積層膜を加工してゲート電極構造とし、
    該ゲート電極構造上に、更にシリコンナイトライドを形成しその後CVD酸化膜を形成 して積層膜を形成し、エッチバックにより該ゲート電極構造の側壁に水分バリアー性及び酸化と−OH基の拡散を防止する機能を有する層をなすシリコンナイトライドと、CVD酸化膜とからなる積層膜からなるスペーサーを形成し、
    その後ソース/ドレインを形成する工程を備えた
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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