JP4866549B2 - 低減された界面粗さ(界面ラフネス)を有するニッケルシリサイド - Google Patents
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Description
高性能マイクロプロセッサのアプリケーションは、半導体回路類の高い速度を要求する。半導体回路類の速度は、相互接続システムの抵抗(R)およびキャパシタンス(C)に反比例して変化する。RxC積の値が高いほど、回路の動作速度がより制限される。小型化には、小さなコンタクトおよび小さな断面積を有する、長い配線が必要とされる。
したがって、デザインルールをディープサブミクロンの領域に継続的に減少させると、相互接続路(interconnection paths)に関連するRおよびCを減少させることが必要となる。
よって、高密度の高性能デバイスを製造するためには、低抵抗の相互接続路が重要となる。
多結晶のシリコンがゲート酸化物の真上にあるので、ポリサイドゲート/配線構造は、有利に、多結晶のシリコンの既知の仕事関数および信頼性の高い多結晶のシリコン/酸化シリコンの界面を保持する。
しかしながらニッケルは、サリサイド技術における他の金属に比べて著しい利点を提供する。ニッケルは、ニッケルシリサイド化(nickel silicide)において必要とされるサーマルバジェットが低い。また、ニッケルシリサイドは、約250℃から約600℃までの比較的低い温度での単一の熱ステップで、基板中のシリコンの消費を抑えて形成することができ、これによって、極めて浅いソース/ドレイン結合の形成が可能になる。
このような界面は、その厚みが200Åから1000Åにわたる可能性があり、その厚みは1ミクロンのような短い距離にわたって拡張する可能性がある。
このような界面粗さは、逆に抵抗とキャパシタンスに悪影響を与え、ソース/ドレイン領域へのスパイキング、またはゲート絶縁層を貫通するスパイキングをもたらす可能性がある。
ゲート電極11の側面上には絶縁側壁スペーサ13が形成されている。
浅いソース/ドレイン拡張部14および、適度にまたは高濃度にドープされたソース/ドレイン領域15が形成される。
ニッケル層がたい積され、その後、ソース/ドレイン領域15上のニッケルシリサイド層16およびゲート電極11上のニッケルシリサイド層17を構成することとなるシリサイド化をもたらす熱処理(heating)が実行される。
ニッケルシリサイド層16と基板10との界面19およびニッケルシリサイド層とゲート電極11との界面18は非常に粗く、ゲート絶縁層12を貫通する突き抜けと共に、基板10へのスパイキングを含んだ上述の問題が生じ得る。
しかしながら、さらなる実験と調査を行うことで、NiSi2は非常に低い温度、310℃のように450℃よりもずっと低い温度において形成可能であることが判明した。
ニッケルは非常に早く拡散するため、NiSi 2 の形成、すなわち粗い界面を防ぐのは非常に難しい。
従来のサリサイド技術においては、金属層がゲート電極上およびソース/ドレイン領域の露出面上にたい積され、その後、金属シリサイドを形成すべく、下地となるシリコンと金属を反応させるように熱処理を実行する。ゲート電極の上表面上およびソース/ドレイン領域上の金属シリサイドコンタクトを残すように、その後反応しなかった金属を絶縁側壁スペーサから除去する。
サリサイド技術を実行する際、窒化ケイ素は高度に共形(コンフォーマル)でありデバイス性能(特にP型トランジスタについて)を高めるので、窒化ケイ素側壁スペーサを使用することは有利であると考えられた。
しかしながら、窒化ケイ素スペーサはこのような処理見地から有利であるが、不適当なニッケルシリサイドのブリッジング(nickel silicide bridging)、すなわち、窒化ケイ素側壁スペーサの表面に沿ってニッケルシリサイド間を短絡(short circuiting)することなく、ゲート電極およびソース/ドレイン領域のニッケルをシリサイド化することは非常に困難であると考えられた。
さらに、特にゲート電極上の窒化ケイ素側壁スペーサを使用する場合に、ゲート電極上のニッケルシリサイド層とソース/ドレイン領域上のニッケルシリサイド層との間のブリッジングのない、ニッケルシリサイド技術を実行する必要がある。
熱処理中に、例えば約10Åから約50Åの厚みで、拡散調整拡散層が形成される。チタンをたい積する場合には、拡散調整層は、窒化したチタンシリサイド、窒化したニッケルシリサイド、または窒化したチタンシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。タンタルの層をたい積する場合には、拡散調整層は、窒化したタンタルシリサイド、窒化したニッケルシリサイド、または窒化したタンタルシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。
本発明の実施形態はさらに、シリコン酸化ライナーをゲート電極の両側面およびこのゲート電極の両側面に隣接する半導体基板の上表面に形成するステップと、その上に窒化ケイ素の絶縁側壁スペーサを形成するステップと、を含む。
このような問題には、ニッケルシリサイド層と下地となるシリコンとの間に非常に粗い界面が構成されることが含まれる。この粗さは、ゲート絶縁層を貫通するスパイキングと同様に、ソース/ドレイン領域中へのスパイキングおよび突き抜けをもたらす可能性がある。
さらなる問題は、多結晶のシリコンおよび信頼性の高い多結晶のシリコン/酸化シリコンの界面の既知の仕事関数を破壊し得る、ゲート電極中のシリコンの急速な消費を含む。
追加の問題は、関連するソース/ドレイン領域上のニッケルシリサイド層とゲート電極上のニッケルシリサイド層との間の窒化ケイ素側壁スペーサの表面に沿ったニッケルシリサイドのブリッジング(橋絡)(bridging)を含む。
窒化ケイ素側壁スペーサ中におけるシリコンの未結合手とニッケルの反応からニッケルシリサイドのブリッジングが生じると考えられている。
このような界面粗さは、1ミクロンよりは短い様々な距離にわたって、200Åから1000Åに及び得る。
NiSi2は、非常に低い温度において形成することが可能である。この低い温度は、ニッケルシリサイド化に伴い有利であるが、不都合なことに、ニッケルの急速な拡散およびNiSi2の形成により結果的に粗い界面を形成することとなる。
本発明は、特にコバルト層までも貫通する、ニッケルの急速な拡散によるNiSi2の形成を防ぐことにより、ニッケルシリサイド化を実行しようとするものである。
このような拡散調整層は、シリコン中へのニッケルの拡散を防止すると共に、ニッケルの被覆層中へのシリコンの拡散をさらに低減させる。
その後、チタンまたはタンタルの層をたい積し、その上にニッケル層をたい積する。
その後、熱処理(heating)を実行し、この熱処理中に、ニッケルシリサイド層と下地となるシリコンとの間の界面において窒素を含有する拡散調整層が形成される。
例えば約5×1020から約5×1021イオン/cm2のドーズ量および約1KeVから約5KeVの注入エネルギーで窒素をイオン注入することが適当であることが判明した。
典型的に、基板はドープされた単一結晶のシリコンを含む一方、ゲート電極は多結晶のシリコンを含む。
窒素は、基板中に対するよりもゲート絶縁層中に対する方が、有利に、より深く浸透(penetration)する。
典型的には、窒素注入領域を、基板の上表面から約50Åから約300Å離れたところにドーパント濃度のピークがあるように基板中に形成すると共に、ゲート電極の上表面から約100Åから約350Å離れたところにドーパント濃度のピークがあるようにゲート電極中に形成する。
その後、約400℃から約600℃の温度で熱処理を実行する。
熱処理中に、ニッケルシリサイド層と下地となるシリコンとの間の界面において、窒素を含んだ拡散調整拡散層を形成する。
チタンをたい積する場合、窒素を含んだ拡散調整層は典型的に、窒化したチタンシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。
タンタルをたい積する場合、拡散調整層は典型的に、窒化したタンタルシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。
この拡散調整層は典型的に、約10Åから約50Åの厚みで形成され、複合ニッケルシリサイド層(composite nickel silicide layer)の厚みと下地となる拡散調整層の厚みを合わせた厚みは、約50Åから約300Åである。
加えて、ゲート電極中に拡散調整層を形成することは、ニッケルシリサイドが形成されることによるゲート電極の消費量および、ゲート絶縁層を貫通するスパイキングを防ぐ。
本発明のさらなる利点は、窒素注入によって窒化ケイ素側壁スペーサの外表面におけるシリコンの未結合手の数を減少させることにあり、これによって、ゲート電極上に形成されたニッケルシリサイド層とソース/ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイド層との間のニッケルシリサイドブリッジングを減少させる。
図2を参照すると、例えばドープされた多結晶シリコンのゲート電極22が半導体基板20(n型であってもp型であってもよい。)上に形成される。このゲート電極22と半導体基板20との間にはゲート絶縁層21が形成されている。
ゲート絶縁層21は典型的に、熱酸化または化学蒸着(CVD)によって形成される二酸化ケイ素である。
本発明の実施形態によれば、薄い酸化物ライナー(thin oxide liner)23は、約130Åから約170Åのような厚みでゲート電極22の両側面上に形成される。
酸化シリコンライナーは、流量約50[sccm]から約100[sccm]のシラン、流量約1000[sccm]から約4000[sccm]のN2O、約100ワットから約300ワットのRF電源、約2.4Torrから約3.2Torrの圧力、および約380℃から420℃、例えば約400℃の温度を使用するPECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)によって形成され得る。
シリコン酸化ライナー23は、有利に、ゲート電極22の側面からのシリサイド化によってゲート電極22が消費されることを防ぐ。
窒化ケイ素側壁スペーサは、流量約200[sccm]から約400[sccm]、例えば約375[sccm]のシラン、流量約2000[sccm]から約4000[sccm]、例えば約2800[sccm]の窒素、流量約2500[sccm]から約4000[sccm]、例えば約3000[sccm]のアンモニア、約250ワットから約450ワット、例えば約350ワットの高周波RF電源、約100ワットから約200ワット、例えば約140ワットの低周波RF電源、約1.6Torrから約2.2Torr、例えば約1.9Torrの圧力、および約380℃から420℃、例えば約400℃の温度を使用するPECVDによって形成することができる。
窒化ケイ素側壁スペーサは典型的に、約850Åから950Åの厚みを有する。
その結果、窒素注入領域31が基板中に形成され、窒素注入領域32がゲート電極の上表面中に形成される。
図5に示すように、その後ニッケル層50を層40上にたい積する。
さらに、ゲート電極の上表面中に窒素を含む拡散調整層62を形成すると共に、その上にニッケルシリサイド層64を形成する。
層40がチタンである状況では、拡散調整領域61、62は、窒化したチタンシリサイドと窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。
層40がタンタルである状況では、拡散調整層61、62は、窒化したタンタルシリサイドと窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む。
その後図7に示すように、層40および50の反応しなかった部分を側壁スペーサから取り除く。
それから、窒化したニッケルシリサイドおよび窒化したチタンシリサイドまたは窒化したタンタルシリサイドの混合物を含んだ拡散調整層を形成すべく、熱処理を実行する。
熱処理の間、ニッケルの拡散を妨げる窒化した拡散調整層が、基板およびゲート電極上に形成され、ニッケルシリサイド層をその下のシリコンから分離する。
拡散調整層は、比較的平坦(smooth)で、スパイキングを防止すると共にニッケルによるゲート電極の消費を防止する。
さらに、窒素注入は、ゲート電極上のニッケルシリサイド層と関連するソース/ドレイン領域上のニッケルシリサイド層との間の窒化ケイ素側壁スペーサに沿ったブリッジングを減少させる。
本発明は特に、ディープサブミクロンの領域における設計の特徴(design feature)を有する半導体デバイスの製造に適用することができる。
したがってこの詳細な説明および図面は、例示的なモノであると考えられ、これに制限されない。
本発明は、様々な他の組合わせおよび環境において使用できると共に、ここに記載されるような本発明の概念の範囲内の変形または修正することができるものとして理解される。
Claims (9)
- 半導体基板の上表面上にあり、両側面および上表面を有するゲート電極であって、このゲート電極と前記半導体基板との間にゲート絶縁層が設けられているゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の半導体基板中のソース/ドレイン領域と、
前記ゲート電極の前記両側の絶縁側壁スペーサと、
前記ソース/ドレイン領域上および前記ゲート電極の上表面上の、ニッケル拡散を防止する層である窒素を含む拡散調整層と、
前記窒素を含む拡散調整層上のニッケルシリサイド層とを有しており、
前記窒素を含む拡散調整層は、窒化したチタンシリサイド、窒化したチタンシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物、窒化したタンタルシリサイド、または窒化したタンタルシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む、
半導体デバイス。 - 前記窒素を含む拡散調整層は、10Åから50Åの厚みを有する、請求項1記載の半導体デバイス。
- 前記窒素を含む拡散調整層の厚みと前記ニッケルシリサイド層の厚みを合わせた厚みは、50Åから300Åである、請求項1記載の半導体デバイス。
- 前記ゲート電極の両側面およびこのゲート電極の両側面に隣接する前記半導体基板の上表面上のシリコン酸化ライナーを含んでおり、
前記絶縁側壁スペーサは、窒化ケイ素を含んでおり、前記シリコン酸化ライナー上に形成されている、請求項1記載の半導体デバイス。 - シリコン半導体基板の上表面上にあり、両側面および上表面を有するシリコンゲート電極であって、このゲート電極と前記半導体基板との間にゲート絶縁層が設けられているゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極の両側の絶縁側壁スペーサを形成するステップと、
前記ゲート電極の前記両側の半導体基板中のソース/ドレイン領域を形成するステップと、
前記ゲート電極および前記ゲート電極の両側の半導体基板の露出面中に、窒素をイオン注入するステップと、
前記窒素が注入されたゲート電極上および前記窒素が注入された半導体基板の露出面上にチタンまたはタンタルの層をたい積するステップと、
ニッケル層を前記チタンまたはタンタルの層上にたい積するステップと、
前記ゲート電極の上表面上および前記ソース/ドレイン領域上の、ニッケル拡散を防止する層である窒素を含む拡散調整層と、前記窒素を含む拡散バリア層上のニッケルシリサイド層とを形成すべく、熱処理するステップと、を含み、
前記窒素を含む拡散調整層は、窒化したチタンシリサイド、窒化したチタンシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物、窒化したタンタルシリサイド、または窒化したタンタルシリサイドおよび窒化したニッケルシリサイドの混合物を含む、半導体デバイスを製造する方法。 - 10Åから50Åの厚みで前記窒素を含む拡散調整層を形成すべく、400℃から600℃の温度で熱処理するステップを含む、請求項5記載の方法。
- 5×1020から5×1021イオン/cm2のドーズ量および1KeVから5KeVの注入エネルギーで窒素をイオン注入するステップを含む、請求項5または6記載の方法。
- 前記半導体基板の前記表面から50Åから300Åの深さに不純物濃度のピークを有するように、前記基板中に窒素注入領域を形成すると共に、前記ゲート電極の前記上表面から100Åから350Åの深さに不純物濃度のピークを有するように、前記ゲート電極中に窒素注入領域を形成すべく、窒素をイオン注入するステップを含む、請求項5ないし7のいずれかの項記載の方法。
- 10Åから50Åの厚みで前記チタンの層またはタンタルの層をたい積するステップを含む、請求項5ないし8のいずれかの項記載の方法。
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