JP5214261B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態1によるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスの製造方法を図1〜図25を用いて説明する。図1〜図10、図12、図17および図23〜図25はCMOSデバイスの要部断面図、図11はサリサイド技術によりシリサイド層を形成する工程の製造プロセスフロー図、図13はシリサイド材料の成膜装置の概略平面図、図14はシリサイド材料の成膜工程図、図15はシリサイド材料の成膜装置に備わるドライクリーニング処理用チャンバの概略断面図、図16はシリサイド材料の成膜装置に備わるドライクリーニング処理用チャンバにおける半導体ウエハの処理工程を説明するためのチャンバの概略断面図、図18はヒータ加熱装置およびランプ加熱装置の昇温特性を説明するグラフ図、図19は白金添加ニッケルシリサイド層のシート抵抗と1回目の熱処理の温度との関係を説明するグラフ図、図20はヒータ加熱装置の全体構成平面図およびチャンバ内の要部断面図、図21はヒータ加熱装置に備わるサセプタの要部平面図および要部断面図、図22はソークアニール処理およびスパイクアニール処理の温度特性を説明するグラフ図である。
この時、還元反応により生成された生成物((NH4)2SiF6)が半導体ウエハSWの主面上に残留する。さらに、半導体ウエハSWはウエハステージ27a上に載せてあるだけであり、上記生成物は半導体ウエハSWの側面および裏面の一部にも残留する。半導体ウエハSWの側面および裏面の一部に残留する生成物は、半導体ウエハSWを他のチャンバへ搬送する場合などにおいて剥がれ、汚染や発塵の原因となる。そこで、ドライクリーニング処置に続いて、チャンバ27内において半導体ウエハSWに熱処理を施すことにより、半導体ウエハSWの主面上に残留する生成物を除去すると同時に、半導体ウエハSWの側面および裏面の一部に残留する生成物を除去する。
しかしながら、上記ドライクリーニング処理時に半導体ウエハSWに形成された生成物の組成が(NH4)2SiF6から僅かでもずれていると、温度100〜150℃の熱処理では式(2)の反応が起こり難く、完全に生成物を除去することができなくなり、極微少の生成物が半導体ウエハSWの主面上に残留する。前述したように、半導体ウエハSWの主面上に微少な生成物が残留していると、その後半導体ウエハSWの主面上に形成されるニッケルシリサイド層の電気抵抗にばらつきが生じる。そこで、次工程において、半導体ウエハSWに150℃よりも高い温度の熱処理を施して、半導体ウエハSWの主面上に残留した微少の生成物を除去する。
まず、ニッケル−白金合金膜18および窒化チタン膜19が順次堆積された半導体基板1にRTA(Rapid Thermal Anneal)法を用いて1回目の熱処理(1stアニール処理)を施す(図11のステップ3)。これにより、ニッケル−白金合金膜18とnMISのゲート電極10nを構成するn型多結晶シリコン膜10ns、およびニッケル−白金合金膜18とnMISのソース・ドレイン拡散領域16が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させて(PtNi)2Si(ダイメタルシリサイド)相の白金添加ニッケルシリサイド層33を形成する。同様に、ニッケル−白金合金膜18とpMISのゲート電極10pを構成するp型多結晶シリコン膜10ps、およびニッケル−白金合金膜18とpMISのソース・ドレイン拡散領域17が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させて(PtNi)2Si相の白金添加ニッケルシリサイド層33を形成する。
次に、ウエット洗浄処理を行うことにより、未反応のニッケル−白金合金膜18(すなわちnMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17と反応しなかったニッケル−白金合金膜18)および窒化チタン膜19を除去する(図11のステップS4)。この際、nMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16の表面上ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17の表面上に(PtNi)2Si相の白金添加ニッケルシリサイド層33を残存させる。ステップS4のウエット洗浄処理は、硫酸を用いたウエット洗浄、または硫酸と過酸化水素水を用いたウエット洗浄などにより行うことができる。
次に、半導体基板1にRTA法を用いて2回目の熱処理(2ndアニール処理)を施すことにより、白金添加ニッケルシリサイド層33の低抵抗化と安定化を行う(図11のステップS5)。また、このステップS5の2回目の熱処理の熱処理温度は、ステップS3の1回目の熱処理よりも高い熱処理温度に設定される。これにより、ステップ3の1回目の熱処理により形成された(PtNi)2Si相の白金添加ニッケルシリサイド層33を、PtNiSi(メタルモノシリサイド)相の白金添加ニッケルシリサイド層33とすることができる。また、ステップS5の2回目の熱処理を行うことで、白金添加ニッケルシリサイド層33内の組成がより均一化され、白金添加ニッケルシリサイド層33内の金属元素NiとSiとの組成比が1:1の化学量論比により近くなり、白金添加ニッケルシリサイド層33を安定化させることができる。なお、PtNiSi相は、(PtNi)2Si相および(PtNi)Si2相よりも低抵抗率であり、ステップS5以降も半導体装置の製造終了まで白金添加ニッケルシリサイド層33は低抵抗のPtNiSi相のまま維持され、製造された半導体装置では、例えば半導体基板1を個片化して半導体チップとなった状態でも、白金添加ニッケルシリサイド層33は低抵抗のPtNiSi相となっている。
本実施の形態2による半導体装置は、前述した実施の形態1と同様であり、nMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16の表面、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17の表面にPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層33が形成されたCMOSデバイスを有するものであるが、白金添加ニッケルシリサイド層33の形成工程における熱処理方法が前述の実施の形態1と相違する。以下に、本実施の形態2による白金添加ニッケルシリサイド層33を形成する熱処理方法について3つの工程(シリサイド反応工程、未反応膜除去工程およびシリサイド安定化工程)に分けて説明する。本実施の形態2における白金添加ニッケルシリサイド層33の形成条件を表3にまとめる。
まず、ニッケル−白金合金膜18および窒化チタン膜19が順次堆積された半導体基板1にRTA法を用いて1回目の熱処理(1stアニール処理)を施すことにより(図11のステップ3)、ニッケル−白金合金膜18とnMISのゲート電極10nを構成するn型多結晶シリコン膜10ns、およびニッケル−白金合金膜18とnMISのソース・ドレイン拡散領域16が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させてPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層33を形成する。同様に、ニッケル−白金合金膜18とpMISのゲート電極10pを構成するp型多結晶シリコン膜10ps、およびニッケル−白金合金膜18とpMISのソース・ドレイン拡散領域17が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させてPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層33を形成する。
次に、ウエット洗浄処理を行うことにより、未反応のニッケル−白金合金膜18(すなわちnMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17と反応しなかったニッケル−白金合金膜18)および窒化チタン膜19を除去する(図11のステップS4)。この際、nMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16の表面上、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17の表面上にニッケルシリサイド層33を残存させる。ステップS4のウエット洗浄処理は、硫酸を用いたウエット洗浄、または硫酸と過酸化水素水を用いたウエット洗浄などにより行うことができる。
次に、半導体基板1にRTA法を用いて2回目の熱処理(2ndアニール処理)を施すことにより、白金添加ニッケルシリサイド層33の安定化を行う(図11のステップS5)。また、このステップS5の2回目の熱処理の熱処理温度は、ステップS3の1回目の熱処理よりも高い熱処理温度に設定される。すなわち、ステップ3の1回目の熱処理によりPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層33が形成され、この白金添加ニッケルシリサイド層33は、ステップS5の2回目の熱処理を行っても、変わらずPtNiSi相のままであるが、ステップS5の2回目の熱処理を行うことで、白金添加ニッケルシリサイド層33内の組成がより均一化され、白金添加ニッケルシリサイド層内の金属元素NiとSiとの組成比が1:1の化学量論比により近くなり、白金添加ニッケルシリサイド層33を安定化させることができる。
本実施の形態3による半導体装置は、前述した実施の形態1または2と異なり、nMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16の表面、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17の表面にNiSi相の白金を添加しないニッケルシリサイド層が形成されたCMOSデバイスを有する。以下に、本実施の形態3によるニッケルシリサイド層の形成方法、特にニッケルシリサイド層を形成する熱処理方法について3つの工程(シリサイド反応工程、未反応膜除去工程およびシリサイド安定化工程)に分けて説明する。本実施の形態3におけるニッケルシリサイド層の形成条件を表4にまとめる。
まず、ニッケル膜および窒化チタン膜が順次堆積された半導体基板1にRTA法を用いて1回目の熱処理(1stアニール処理)を施すことにより(図11のステップ3)、ニッケル膜とnMISのゲート電極10nを構成するn型多結晶シリコン膜10ns、およびニッケル膜とnMISのソース・ドレイン拡散領域16が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させてNiSi相のニッケルシリサイド層を形成する。同様に、ニッケル膜とpMISのゲート電極10pを構成するp型多結晶シリコン膜10ps、およびニッケル−白金合金膜18とpMISのソース・ドレイン拡散領域17が形成された半導体基板1を構成する単結晶シリコンとを選択的に反応させてNiSi相のニッケルシリサイド層を形成する。
次に、ウエット洗浄処理を行うことにより、未反応のニッケル膜(すなわちnMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16、ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17と反応しなかったニッケル膜)および窒化チタン膜を除去する(図11のステップS4)。この際、nMISのゲート電極10nおよびソース・ドレイン拡散領域16の表面上ならびにpMISのゲート電極10pおよびソース・ドレイン拡散領域17の表面上にニッケルシリサイド層を残存させる。ステップS4のウエット洗浄処理は、硫酸を用いたウエット洗浄、または硫酸と過酸化水素水を用いたウエット洗浄などにより行うことができる。
次に、半導体基板1にRTA法を用いて2回目の熱処理(2ndアニール処理)を施すことにより、ニッケルシリサイド層の安定化を行う(図11のステップS5)。また、このステップS5の2回目の熱処理の熱処理温度は、ステップS3の1回目の熱処理よりも高い熱処理温度に設定される。すなわち、ステップ3の1回目の熱処理によりNiSi相のニッケルシリサイド層が形成され、このニッケルシリサイド層は、ステップS5の2回目の熱処理を行っても、変わらずNiSi相のままであるが、ステップS5の2回目の熱処理を行うことで、ニッケルシリサイド層内の組成がより均一化され、ニッケルシリサイド層内の金属元素NiとSiとの組成比が1:1の化学量論比により近くなり、ニッケルシリサイド層を安定化させることができる。なお、NiSi相は、Ni2Si相およびNiSi2相よりも低抵抗率であり、ステップS5以降も半導体装置の製造終了までニッケルシリサイド層は低抵抗のNiSi相のまま維持され、製造された半導体装置では、例えば半導体基板1を個片化して半導体チップとなった状態でも、ニッケルシリサイド層は低抵抗のNiSi相となっている。
2 酸化シリコン膜
3 窒化シリコン膜
4 素子分離
4a 溝
4b 絶縁膜
5 レジストパターン
6 p型ウェル
7 レジストパターン
8 n型ウェル
9 ゲート絶縁膜
10n,10p ゲート電極
10ns n型多結晶シリコン膜
10ps p型多結晶シリコン膜
11,12 ソース・ドレイン拡張領域
13 酸化シリコン膜
14 窒化シリコン膜
15 サイドウォール
16,17 ソース・ドレイン拡散領域
18 ニッケル−白金合金膜
19 窒化チタン膜
20 成膜装置
21a 第1搬送室
21b 第2搬送室
22 ゲートバルブ
23 ローダ
24 アンローダ
25,26,27 チャンバ
27a ウエハステージ
27b ウエハリフトピン
27c シャワーヘッド
27d リモートプラズマ発生装置
28,29,30,31 チャンバ
32a,32b 搬送用ロボット
33,33a 白金添加ニッケルシリサイド層
34 ヒータ加熱装置
35 チャンバ
36 サセプタ
36a キャリアプレート
36b ガードリング
36c サポートピン
37 抵抗ヒータ
38 フープ
39 ウエハ受け渡し用チャンバ
40 ロードロック
41a 第1絶縁膜
41b 第2絶縁膜
43 接続孔
44 バリアメタル膜
45 プラグ
46 ストッパ絶縁膜
47 絶縁膜
48 配線溝
49 バリアメタル膜
50 配線
51 キャップ絶縁膜
52 層間絶縁膜
53 ストッパ絶縁膜
54 絶縁膜
55 接続孔
56 配線溝
57 バリアメタル膜
58,59,60,61,62 配線
63 窒化シリコン膜
64 酸化シリコン膜
65 バンプ下地電極
66 バンプ電極
101 ランプ加熱装置
102 フープ
103 ロードロック
104,105 チャンバ
106 ハロゲンランプ
107 パイロメータ
108 サセプタ
SW 半導体ウエハ、ウエハ
SWs ウエハ表面
SWr ウエハ裏面
Claims (14)
- (a)単結晶シリコンからなる半導体基板を準備する工程、
(b)前記半導体基板に半導体領域を形成する工程、
(c)前記半導体領域上を含む前記半導体基板上にニッケルと白金との合金膜を形成する工程、
(d)1回目の熱処理を行って前記合金膜と前記半導体領域とを反応させて、(PtNi)2Si相の白金添加ニッケルシリサイド層を形成する工程、
(e)前記(d)工程後に、未反応の前記合金膜を除去し、前記半導体領域上に前記(PtNi)2Si相の白金添加ニッケルシリサイド層を残す工程、
(f)前記(e)工程後に、前記1回目の熱処理よりも熱処理温度が高い2回目の熱処理を行って、PtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層を形成する工程、
を有し、
前記(d)工程の前記1回目の熱処理の昇温速度は30〜250℃/秒であり、前記(f)工程の前記2回目の熱処理の昇温速度は10℃/秒以上であり、
前記(d)工程の前記1回目の熱処理はヒータ加熱方法を用い、
前記(f)工程の前記2回目の熱処理はスパイクアニール処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記(d)工程の前記1回目の熱処理温度は210〜310℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- (a)単結晶シリコンからなる半導体基板を準備する工程、
(b)前記半導体基板に半導体領域を形成する工程、
(c)前記半導体領域上を含む前記半導体基板上にニッケルと白金との合金膜を形成する工程、
(d)1回目の熱処理を行って前記合金膜と前記半導体領域とを反応させて、PtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層を形成する工程、
(e)前記(d)工程後に、未反応の前記合金膜を除去し、前記半導体領域上に前記PtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層を残す工程、
(f)前記(e)工程後に、前記1回目の熱処理よりも熱処理温度が高い2回目の熱処理を行う工程、
を有し、
前記(d)工程の前記1回目の熱処理の昇温速度は30〜250℃/秒であり、前記(f)工程の前記2回目の熱処理の昇温速度は10℃/秒以上であり、
前記(d)工程の前記1回目の熱処理はヒータ加熱方法を用い、
前記(f)工程の前記2回目の熱処理はスパイクアニール処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、前記(d)工程の前記1回目の熱処理温度は380〜400℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、前記(f)工程の前記2回目の熱処理後のPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層の組成は、前記(d)工程の前記1回目の熱処理後のPtNiSi相の白金添加ニッケルシリサイド層の組成よりも化学量論的組成により近いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記(f)工程の前記2回目の熱処理の前記昇温速度は10〜250℃/秒であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記(f)工程の前記2回目の熱処理の熱処理温度は380〜525℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記(d)工程の前記1回目の熱処理は、窒素ガスよりも熱伝導率の大きい不活性ガス中、もしくは窒素ガスに窒素ガスよりも熱伝導率の大きいガスを添加したガス雰囲気中で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、前記不活性ガスはヘリウムまたはネオンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体領域はソースまたはドレイン用の半導体領域であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項10記載の半導体装置の製造方法において、前記(a)工程後に、
(a1)前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(a2)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコンからなるゲート電極を形成する工程、
をさらに有し、
前記(c)工程では、前記半導体領域上を含む前記半導体基板上に、前記ゲート電極を覆うように、前記合金膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記(c)工程の後で前記(d)工程の前に、
(c1)前記合金膜上にバリア膜を形成する工程、
をさらに有し、
前記(e)工程では、前記バリア膜および未反応の前記合金膜を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項12記載の半導体装置の製造方法において、前記バリア膜は前記1回目の熱処理を行っても前記合金膜と反応しないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項1または3記載の半導体装置の製造方法において、前記(c)工程の前に、
(c2)前記半導体基板の主面の前記半導体領域の表面をドライクリーニングする工程、
をさらに有し、
前記(c2)工程後、前記半導体基板を大気中にさらすことなく前記(c)工程が行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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