JPH0296374A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置に関し、特にシリサイド化接合、シ
リサイド層を有した電極、配線部に用いる金属硅化物の
構造、及びその製造方法に関するものである。

従来の技術 半導体集積回路の高密度化にともなって構成要素である
ＭＯＳトランジスタも縮小化されるが、かかる装置にお
いては深さ方向の縮小化も実施しなくては正常なトラン
ジスタ動作を維持することはできない。また、横方向の
縮小化にともない平坦化を容易にする為に配線の厚さも
薄くする必要がある。

以上の問題を解決する為、最近注目されているがシリコ
ン基板、多結晶シリコン層における効濃度不純物拡散層
より低抵抗な高融点金属シリサイド層を用いて接合、電
極を形成する方法である。

例えば、ＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン領域に
自己整合的にシリサイド化接合層を形成する従来の技術
（シリサイド化接合法）としては、アイ、イー、イー、
イー、トランザクション　オブエレクトロンデバイスイ
ズＥＤ−３１（１９８４年）１３２９頁から１３３４頁
（Ｉ　Ｅ３Ｔｒａｎｓ、Ｅ　ｌ　ｅ　ｃ　ｔ　ｒｏｎ（
Ｄｅｖ　ｉ　ｃ　ｅ　ｓ。

ＥＤ−３１（１９８４）ｐｐ１３２９〜１３３４）に示
されている。

第４図に従来のシリサイド化接合部の構造の概略を説明
する。第４図に示すようにシリコン基板５１に自己整合
的に形成されたチタンシリサイド層５２が、絶縁膜５３
の選択的開口部３４を介して、導体配線５５と高濃度不
純物拡散層（ｎ　又はｐ＋層）５６との間に位置したシ
リサイド化接合構造となっている。

以上の従来のシリサイド化接合構造においてはチタンシ
リサイド層５２の存在により、高濃度不純物拡散層５６
の面抵抗の低抵抗化が実現されている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、現在のところ自己整合的チタンシリサイ
ド膜形成時に、イオン注入による界面ミキシングを行う
ことにより膜厚の均一な良好な膜質から得られても、後
の比較的高温・長時間の熱処理（９００℃以上、３０分
間以上）の際にチタンシリサイドが凝集することによっ
て表面荒れや亀裂が生じ、シリサイドの亀裂部ではシリ
コン基板が露出するという問題があった。この様子を第
５図を用いて説明する。第６図（ａ）に示すようにシリ
コン基板６１上に形成されたチタンシリサイド層は９ｏ
ｏｖ、３０分間の熱処理を施されることにより凝集し、
第６図（ｂ）に示すように島状シリサイド層６３に変形
し、島状シリサイド層６３の間に高抵抗層のシリコン基
板６１が露出した状態となる。この高温熱処理は集積回
路プロセスではチタンシリサイド膜形成後に、例えば注
入不純物の活性化や層間絶縁膜の平坦化リフローの為の
熱処理で必要である。このような問題点については実験
結果としてジャーナル　オブ　アプライドフィジクス（
１９８６年）２４３頁から２４５頁（Ｊ　ＡＦ　（１９
８６）ｐｐ２４３〜２４５）にも示されている。この問
題点は形状の劣化のみならず、電気的にはシート抵抗の
増大、接合リークの増大を引き起こし、シリサイド化接
合の有効性を失うこととなる。

本発明はかかる点に鑑み、シリサイド接合形成後の熱処
理によっても、シリサイド層の表面荒れ、亀裂が生じず
電気特性の劣化のない高耐熱性シリサイド層を形成する
ことを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は金属元素との化合物の融点が、当該金属元素の
硅化物の融点よりも高い元素を不純物として含有せしめ
た当該金属の硅化物薄膜及びこれを有した半導体装置で
ある。

作　　　用 本発明は熱処理によりシリサイド膜が多結晶膜として成
長する際に、膜中に含有させた不純物、例えば炭素や窒
素が、例えば金属炭化物や金属窒化物となって膜内の結
晶粒界に析出し、これら析出物がシリサイド膜の二次成
長（結晶粒の合体化）を抑制することにより、シリサイ
ド化の表面荒れや亀裂を防止することができる。

実施例 第１図は本発明の一実施例におけるチタンシリサイド膜
の構造の概略図を示す。

第１図（ａ）は本シリサイド膜の断面概略図、同図（ｂ
）は第１図（ａ）の　部１０の拡大図である。まず第１
図（ａ）を用いて説明する。シリコン基板１１上に形成
されたシリサイド膜１２はシリサイドの多結晶粒１３と
、粒界１４に存在するシリサイド膜１２の融点よりも高
い融点を有した不純物から成る。

次に、粒界１４に存在する不純物について、第１図（ｂ
）を用いて説明する。シリサイドの多結晶粒１３の間の
粒界１４には炭素１５．窒化チタン１６、炭化チタン１
７が混在して析出層を形成している。

次にこのチタンシリサイド層１２の形成方法を第２図を
用いて説明する。ここでは−例としてシリサイド化反応
法による形成方法について説明する。第２図（ａ）に示
すようにシリコン基板２１上に炭素、あるいは窒素を含
んだ雰囲気中で炭素あるいは窒素を含んだチタン薄膜２
２を形成する。この炭素あるいは窒素を含んだチタン薄
膜２２は炭素あるいは窒素を微量に含んだ雰囲気中での
チタン薄膜のスパッタ堆積法により容易に形成できる。

例えばチタンターゲットを有したスパッタ装タンガスを
導入したスパッタ条件では０．１％の炭素を含んだチタ
ン薄膜を形成できる。又、同様ガスを導入したスパッタ
条件では０，０５％の窒素を含んだチタン薄膜を形成で
きる。以上のような手法で微量の炭素あるいは窒素を含
んだチタン薄膜２２を形成した後、シリサイド化温度以
上、すなわち６００℃以上で例えば窒素ガス中で熱処理
を１分間〜６０分間行うと第２図（ｂ）に示すようにシ
リコン基板２１上に微量の炭素あるいは窒素が、結晶粒
界２３に炭素、あるいは炭化チタンあるいは窒化チタン
が析出したチタンシリサイド層２４が形成できる。

本方法により形成されたチタンシリサイド膜を不活性ガ
ス中で９００℃、６０分間熱処理を行っても第２図（Ｃ
）に示すようにチタンシリサイド層２４の２次成長く結
晶粒２４ａの合体）は結晶粒界２３に析出した炭素、窒
化チタン２炭化チタンなどの析出層（第１図（ｂ）参照
）によって抑制され、シリサイド層２４の変形は起こら
ず表面もフォロジーも平滑であった。この２次成長の抑
制は粒界２３に析出した層の融点が高い為（窒化チタン
２９３０℃、炭化チタン３１４０℃、炭素３５１０℃）
チタンシリサイド層２４の２次成長が起こる９００℃程
度の熱処理においても、前記各層は２次成長を起こさず
安定であることによる。一般に２次成長が起こる温度は
融点の〜０．６倍であると言われている。

次に実際のデータに関して、本発明の詳細な説明する。

実用的な半導体プロセスに用いる熱処理温度よりも高温
である１１００℃までの温度で、窒素を含まないチタン
と窒素を０．０５％含んだチタンをシリコン基板上に厚
さ３５ｎｍ形成した試料をアルゴンガス雰囲気中で熱処
理し、シート抵抗を測定した結果を表１に示す。

表　　　１ の間にチタンはシリコン基板と固相反応しチタンシリサ
イドとなり抵抗値が低くなっている。また、１１００℃
２秒熱処理までは両者にシート抵抗値の差は見られない
が、１１００℃２０秒熱処理後では、窒素を含有した試
料ではシート抵抗は２．５Ω／口と１１００℃２秒まで
の熱処理後と大差は見られないが、窒素を含有しない試
料では１１００℃２０秒熱処理後６２Ω／口となり３０
倍以上の高シート抵抗となった。このシート抵抗の相違
はチタンシリサイド膜の表面モフォロジーの相違に起因
している。１１００℃２０秒熱処理後の両試料の平面Ｔ
ＥＭ特性図を第３図に示す。

第３図（ａ）は窒素を含有しない試料、第３図（ｂ）は
窒素を含有した試料に対応しており、（ａ）ではチタン
シリサイド（Ｔ　ｉ　Ｓ　ｉ２）が凝集し島状シリサイ
ド層（図中、黒い部分）となりシリコン基板（図中、白
い部分）が露出している。一方、（ｂ）では（ａ）のよ
うな凝集及びシリコン基板の露出は見られず全面がチタ
ンシリサイド（Ｔ　ｉ　Ｓ　ｉ２）でおおわれ、表面モ
フォロジーも平滑であるという結果を得ている。

なお、本構造の実施例では金属の硅化物をチタンシリサ
イドとしたが、他の材料、例えばタングステンシリサイ
ド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドなどの場
合でも全く同様である。

また、不純物の含有量としては形成されたシリサイド膜
の抵抗値を低く、安定化させる為に過度の含有ま不適で
あり、１０−３％がら１ｏ％までは適切な量であった。

シリサイド膜の下地基板はシリコン材料を用いて説明し
たが、シリコン酸化膜やシリコン窓化膜など他の材料で
も良い。更に、この高耐熱性シリサイド膜をＭＯＳトラ
ンジスタにおけるゲート電極、シリサイド化接合層の構
成要素として用いたところ、９００℃３０分間の熱処理
後も良好な電気特性、例えば前者ではゲート酸化膜耐圧
９ＭＶ／ｃ１１以上、後者では接合リーク電流０．５ｎ
Ａ／ｃｄにｌ下の値を得た。

本構造の製造方法としては、前記実施例においてスパッ
タ法による製膜を示したが、ＣＶＤ法において金属ある
いは金属シリサイドを形成する為高融点の析出層を形成
することにより、シリサイド層の高温熱処理中の結晶粒
の２次成長を抑制することが可能であり、したがってシ
リサイド層形成後の高温熱処理に伴うシリサイド層の形
状の劣化を防ぎ、電気特性の優れた電極形成が可能であ
り、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の一実施例における
シリ窒素ガスを混入することにより、形成された膜中の
炭素や窒素の含有量を１０−３％から１０％に制御する
ことは容易である。 また、シリサイド膜の形成方法として前記実施例におい
ては金属とシリコンとのシリサイド化反応を利用したが
、堆偕時に直接、シリサイド膜を形成しても同様な結果
が得られることは言うまでもない。 発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、粒界に秒熱処理後
のチタンシリサイド膜の平面ＴＥＭ特子を示した概念構
造図である。 １１・・・・・・シリコン基板、１２・・・・・・シリ
サイド層、１３・・・・・・多結晶粒、１４・・・・・
・粒界、１５・・・・・・炭素、１６・・・・・・窒化
チタン、１７・・・・・・炭化チタン。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第２図 １図 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属元素との化合物の融点が、前記金属元素の硅
   化物の融点よりも高い元素を不純物として含有する前記
   金属の硅化物薄膜よりなる電極又は配線を有することを
   特徴とする半導体装置。
2. （２）金属及び金属硅化物薄膜を形成する雰囲気に、前
   記金属元素との化合物の融点が、前記金属元素の硅化物
   の融点よりも高い元素を含ませ、半導体基板上に前記金
   属及び金属硅化物薄膜を形成することを特徴とする半導
   体装置の製造方法。