JPH07142447A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH07142447A
JPH07142447A JP28693093A JP28693093A JPH07142447A JP H07142447 A JPH07142447 A JP H07142447A JP 28693093 A JP28693093 A JP 28693093A JP 28693093 A JP28693093 A JP 28693093A JP H07142447 A JPH07142447 A JP H07142447A
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etching
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JP28693093A
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Yoshihiro Tezuka
好弘 手塚
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JFE Steel Corp
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Kawasaki Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低抵抗で熱的安定性の良いシリサイド層を形成
できる半導体装置の製造方法を提供する。 【構成】CF4 ガスとO2 ガスとを混合した混合ガスを
マイクロ波によって励起し、生成された弗素原子と酸素
原子を基板へ導き、Si基板40の表面を約10nm程
度等方的にエッチングする。この処理により、チタンシ
リサイド層の高抵抗化の原因となるSiCを含む表面の
ダメージ層56を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の微細化とともにpn接合の
深さが浅くなり、横方向の拡散抵抗が増えてきた。例え
ばMISFET(Metal−Insulator−S
eminconductor Field Effec
t Transistor)では、微細化に伴いソース
・ドレイン領域を浅くする結果、ソース・ドレイン領域
が高抵抗化し、トランジスタの高速化の妨げとなる。こ
の問題を解決するために、ゲート、ソース、ドレインの
全表面をシリサイド化する、いわゆるサリサイド技術が
知られている(例えば、特開昭57−99775号公報
参照)。
【0003】このサリサイド技術に基づくプロセスの一
例を、図17〜図22を参照して説明する。図17に示
されるように、例えばp型のシリコン基板である半導体
基板10の表面に、SiO2 膜のようなフィールド酸化
膜12を選択的に形成して素子分離を行い、その後、こ
のフィールド酸化膜12で囲まれた活性領域の表面にS
iO 2 膜のようなゲート絶縁膜14を形成する。次に、
このゲート絶縁膜14の上に多結晶シリコン膜(図示せ
ず)を形成した後、この多結晶シリコン膜をエッチング
により所定の形状にパターニングしてゲート電極16を
形成する。その後、半導体基板中にn型不純物を低濃度
にイオン注入してソース領域18a及びドレイン領域1
8bを形成する。次に、CVDにより全面にSiO2
20を形成する。その後、炭素イオンやフッソイオンを
含むイオンを用いた反応性イオンエッチングによりこの
SiO2 膜20を異方性エッチングして、図18に示さ
れるように、SiO2 からなる側壁22を形成する。
【0004】次に、図19に示されるように、半導体基
板10の全面に蒸着またはスパッタにより例えばチタン
膜24を厚さ30nm形成する。次に、例えばN2 ガス
中で650℃、30秒間のアニールを行い、チタン膜2
4に接しているゲート電極16、ソース領域18a、及
びドレイン領域18bでシリコンとチタンとを反応させ
てシリサイド化させる。その後、フィールド酸化膜12
上の未反応のチタンをH22 /NH4 OHの水溶液で
除去し、800℃で30秒間のアニールを行う。この結
果、図20に示されるように、ゲート電極16、ソース
領域18a、及びドレイン領域18bの上にチタンシリ
サイド膜26が形成される。
【0005】次に、この側壁22をマスクとしてシリサ
イド中にn型不純物を高濃度にイオン注入し、加熱する
ことにより不純物をソース領域18a、及びドレイン領
域18bに拡散させ、不純物の電気的活性化を行う。こ
れにより、いわゆるLDD(Lightly Dope
d Drain)構造を有するサリサイドトランジスタ
が形成される。
【0006】ところが、反応性イオンエッチングを行っ
て側壁22を形成したときに、ゲート電極16、ソース
領域18a、及びドレイン領域18bに汚染層が形成さ
れ、この汚染層がサリサイドトランジスタに悪影響を及
ぼすことがわかってきた。そこで、反応性イオンエッチ
ングが及ぼす悪影響を除去したサリサイドトランジスタ
の製造方法が提案されている(例えば、特開昭63−2
02920号公報参照)。 この製造方法を図21、図
22を参照して説明する。絶縁膜20(図19参照)を
エッチバックして側壁22を形成したときのゲート電極
16、ソース領域18a、及びドレイン領域18bそれ
ぞれの表面には、図21に示されるように、フロロカー
ボン(CnFm)からなる汚染層28が形成される。従
って半導体装置の接合特性劣化を防ぐために、チタン膜
を被着させる前に、図22に示されるように、酸素プラ
ズマ30を用いて汚染層を除去する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の製造方法に
おける反応性イオンエッチングでは、主として、周波数
13.56MHzのプラズマ励起用高周波を用いた陰極
結合型酸化膜エッチング装置が用いられている。半導体
装置の微細化が進みゲート側壁の厚みが薄くなるにつれ
て、より高精度にゲート側壁の幅を制御することが要求
されている。また、基板として用いるSiウエハの直径
が大型化し、広い面積内で均一にしかも高速でゲート側
壁を形成することが要求されている。このため、高い均
一性、高精度、高速エッチングを達成できる酸化膜エッ
チング装置が求められている。また、ゲート側壁を形成
するための反応性イオンエッチング中に電荷がゲート電
極に蓄積されてゲート酸化膜耐圧を劣化させる。この劣
化を回避するために、より低周波の励起周波数でプラズ
マを励起することが求められている。これらの要求にこ
たえる装置として、周波数400kHzの高周波を用い
た陽極結合型酸化膜エッチング装置や、周波数380k
Hzの高周波を用いたスプリット印加型の酸化膜エッチ
ング装置が用いられるようになってきた。
【0008】ところが、本発明者の研究によれば、これ
らの励起周波数400kHzや380kHzの酸化膜エ
ッチング装置を用いてサリサイド構造を有するトランジ
スタを形成した場合には、特開昭63−202920号
公報のように汚染層を除去してサリサイド構造を有する
トランジスタを形成しても、十分な動作速度が得られな
いことが判明した。具体的には、トランジスタのゲート
電極、ソース領域、及びドレイン領域のシリサイド層で
シート抵抗が増大し、それがトランジスタ性能劣化の主
な原因であることが判明した。図23に、周波数が異な
るエッチング装置を用いてサリサイドトランジスタを形
成した場合のTiSi2 層のシート抵抗の違いを示す。
380kHz,400kHz,13.56MHzの高周
波で励起されたプラズマを照射した場合を比べると、3
80kHz,400kHzの高周波で励起されたプラズ
マエッチング装置を用いた場合にはTiSi2 層のシー
ト抵抗が上昇していることがわかる。従って、380k
Hzまたは400kHzの励起周波数のエッチング装置
を用いた場合には、13.56MHzの励起周波数のエ
ッチング装置を用いた場合と同じ程度までシリサイド層
のシート抵抗を低減させる必要があることが明らかにな
った。
【0009】さらに、これらの380kHzまたは40
0kHzの励起周波数のエッチング装置を用いて形成さ
れたサリサイドトランジスタのシリサイド層は熱的に不
安定である。このため層間絶縁膜の平坦化に必要な温度
である約900℃の加熱によりシート抵抗が10倍程度
増加することもある。以上により、高精度のゲート電極
を形成するための380kHzや400kHzの励起周
波数のエッチング装置を用いると、低抵抗で熱的安定性
の良いシリサイド層の形成が阻害されると考えられる。
【0010】本発明は、上記事情に鑑み、低抵抗で熱的
安定性の良いシリサイド層を形成できる半導体装置の製
造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の半導体装置の製造方法は、 (1)ゲート電極と該ゲート電極を挟んだソースドレイ
ン領域とが形成されたSi基板に絶縁膜を形成する工程 (2)該絶縁膜をエッチバックすることによりゲート側
壁を形成する工程 (3)前記エッチバックの際に前記Si基板に形成され
たフロロカーボンのポリマーからなる汚染層を該Si基
板から除去する工程 (4)前記エッチバックの際に前記汚染層の下に形成さ
れたSiCを含有するダメージ層を、前記汚染層が除去
されたSi基板から除去する工程 (5)前記汚染層と前記ダメージ層が除去されたSi基
板に高融点金属を堆積する工程 (6)該高融点金属が堆積されたSi基板を熱処理する
ことにより、前記ゲート電極、及び前記ソースドレイン
領域それぞれに含有されたSiと前記高融点金属とを反
応させて合金化する工程 を含むことを特徴とするものである。
【0012】
【作用】先ず、380kHz又は400kHzの励起周
波数を用いる酸化膜エッチング装置を使用した場合に、
TiSi2 層のシート抵抗が上昇する原因を明らかにす
る。次に、シート抵抗の上昇を防止できる方法を説明す
る。 1)シート抵抗が上昇する原因 シリサイド膜のシート抵抗が上昇する原因となる物質を
同定するために、X線光電子分光(XPS)で試料を分
析した結果を図1に示す。試料は、各エッチング装置の
プラズマにさらされたSi基板の表面のポリマー汚染層
と自然酸化層を除去したものである。380kHzまた
は400kHzの励起周波数を用いる酸化膜エッチング
装置を使用した場合には、C1sスペクトルにおいて吸
着ガスによるピーク(C−C)のほかにCとSiの結合
を示すピーク(C−Si)が見られる。これは表面にダ
メージ層が形成され、その中にSiCが含まれることを
意味するものである。このピーク(C−Si)は励起周
波数13.56MHzの酸化膜エッチング装置を用いた
場合には見られない。
【0013】さらに、SiCを含むダメージ層がある表
面に対してTiシリサイドを形成した後に、オージェ電
子分光(AES)によって元素の深さ方向の分析を行っ
た。この結果を図2に示す。炭素原子がTiN層とTi
Si2 層との界面に偏析し、これがTiSi2 層形成の
妨げとなっていることがわかる。すなわち、シリサイド
化の進行が遅いので、堆積したTiのうちの雰囲気ガス
のN2 と反応してTiNとなる割合が増大する。この結
果、TiSi2 層のシート抵抗が増大する。炭素原子は
ダメージ層のSiCに含まれていたものであり、SiC
を含むダメージ層の除去がTiSi2 層のシート抵抗を
低減するために必要であることがわかる。 2)プラズマ励起周波数依存の原因 ダメージ層の有無は、エッチングパラメータのうちのプ
ラズマ励起周波数以外のパラメータには大きくは依存し
ないということが、エッチングパラメータを変化させた
実験によって明らかになった。
【0014】ダメージ層の有無がプラズマ励起周波数に
依存する機構は以下の通りである。周波数13.56M
Hzの電場の振動に対してはプラズマ中のイオンは追随
することはできない。したがって、Si基板に入射する
イオン運動エネルギーの最大値は、プラズマとSi基板
との間に形成された自己バイアス電圧によって決定され
る。この電圧は、プラズマに投入される高周波の電場の
振幅よりは小さく、典型的なエッチング条件では200
Vとなる。従って、Si基板に入射するイオンの最大運
動エネルギーは200eV程度であり、殆どSi基板中
には侵入しないのでダメージ層は形成されない。一方、
380kHz又は400kHzの高周波を用いたエッチ
ング装置では、投入された高周波電場の振動にプラズマ
中のイオンが追随することができる。従って、イオンの
運動エネルギーの最大値は高周波電場のピークとピーク
との間の電圧で決定される。この電圧は、典型的なエッ
チング条件では、2kV程度になる。即ち、Si基板に
入射するイオンのエネルギーの最大値は約2keVとな
り、プラズマ中の炭素、弗素を含むイオンはSi基板ま
で埋め込まれ、SiCを含むダメージ層が形成される。
すなわち、図3に示されるように、エッチング後のSi
基板32の表面には、フロロカーボンのポリマーからな
る厚さ50Åの汚染層34と、この汚染層34の下にS
iCを含むSiからなる厚さ50Åのダメージ層36が
形成される。
【0015】イオンが追随できる高周波の最大の振動数
は、典型的なガス圧力の場合には計算によりプラズマ中
のイオンの固有振動数約2MHzであることがわかっ
た。すなわち、励起周波数2MHz以下のエッチング装
置を用いてゲート側壁を形成した場合にはSiCを含む
ダメージ層が形成されるので、サリサイドトランジスタ
を形成するためには、汚染層の除去に加えてダメージ層
の除去プロセスが必要であることがわかる。 3)シート抵抗上昇の原因除去 従って、ゲート側壁を形成するためのエッチング後に
は、先ず、図4に示されるように、酸素プラズマ38を
用いてフロロカーボンを酸化させCOとF2 の形で汚染
層34(図3参照)を除去する。次に、図5に示される
ように、励起された酸素原子と弗素原子、または酸素イ
オンとフッソイオンを、SiCを含有したダメージ層3
6(図4参照)の表面に供給し、ダメージ層中のSiC
を揮発性のSiF4 とCOに変えてダメージ層36を除
去する。図6(a)にダメージ層を除去する前後のXP
Sスペクトルを示す。図6に示されるように、高融点金
属のシリサイド化を阻害するSiCがなくなっている。
このため、図6(b)に示されるように、高融点金属の
シリサイド化がスムーズに進み、窒化物になる割合に比
べ珪化物になる割合が増大する。この結果、高融点金属
シリサイド層の低抵抗化を達成できる。 4)熱安定性向上 また、シリサイド化を阻害するSiCが除去されている
ので、高融点金属のシリサイド化反応が一様に進む。こ
の結果、シリサイドと下地Siの界面がスムーズにな
り、しかもシリサイドの結晶粒径が大きくなる。この結
果、高温での加熱によりシリサイド層が凝集するという
性質が緩和され、層間膜を平坦化するための加熱工程を
経た後でも安定した低抵抗なシリサイド層を得ることが
できる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の半導体装置の製造方法の一実
施例について図面を参照しながら説明する。図7〜図1
5は、本発明の一実施例のMOSFET(Metal−
Oxide−Seminconductor Fiel
d Effect Transistor)の製造方法
を工程順に示す断面図である。
【0017】図7は、多結晶Siからなるゲート電極が
形成される工程まで終了した段階を示す断面図である。
図7に示されるように、例えばp型のシリコン基板であ
る半導体基板40の表面に、例えばSiO2 膜のような
フィールド酸化膜42を選択的に厚さ400nm形成し
て素子分離を行う。その後、このフィールド酸化膜42
で囲まれた活性領域の表面に例えばSiO2 膜のような
ゲート絶縁膜44を厚さ10nm形成する。次に、この
ゲート絶縁膜44の上に厚さ150nmの多結晶シリコ
ン膜(図示せず)を形成した後、この多結晶シリコン膜
をエッチングにより所定の形状にパターニングしてゲー
ト電極46を形成する。その後、ゲート電極46をマス
クとして半導体基板中にn型不純物を低濃度にイオン注
入してソース領域48a及びドレイン領域48bを形成
する。
【0018】次に、図8に示されるように、CVDによ
り全面に厚さ500nmのSiO2膜50を形成する。
その後、励起周波数380kHzを用いた反応性イオン
エッチング装置を使用して、C、Fを含むイオン52に
よりこのSiO2 膜50を異方性エッチングする。これ
により、図9に示されるようなSiO2 からなるゲート
側壁54を形成する。エッチングガスとしては、CF4
ガス、CHF3 ガス、及びArガスを混合した混合ガス
を用いた。反応容器内の圧力は1000mTorrと
し、CF4 ガス、CHF3 ガス、及びArガスの流量は
それぞれ40sccm、40sccm、及び900sc
cmとした。また、高周波の入力は200Wとした。エ
ッチングが終了するときにゲート電極46、ソース領域
48a、及びドレイン領域48bそれぞれの表面はプラ
ズマに晒されるので、フロロカーボンによる汚染層55
とSiCを含むダメージ層56が形成される。
【0019】次に、図10に示されるように、マイクロ
波によりO2 ガスをプラズマ励起し、酸素プラズマによ
り表面の汚染層55を除去する。次に、図11の示され
るように、CF4 ガスとO2 ガスとを混合した混合ガス
をマイクロ波によって励起し、生成された弗素原子と酸
素原子を基板へ導き、Si基板40の表面を約10nm
程度等方的にエッチングする。この処理により、チタン
シリサイド層60(図13参照)の高抵抗化の原因とな
るSiCを含む表面のダメージ層56を除去することが
できる。これらの2つの処理はマイクロ波ダウンフロー
エッチング装置を用いてガスを切り替えることにより連
続的に行うこともできる。
【0020】次に、半導体基板40を0.5%HF溶液
に約30秒間浸すことにより表面の自然酸化膜を除去
し、その後、図12に示されるように、スパッタにより
全面に例えばチタン膜58を厚さ30nm形成する。次
に、例えばN2 ガス中で650℃、30秒間のアニール
を行い、チタン膜58が接しているゲート電極46、ソ
ース領域48a、及びドレイン領域48bでシリコンと
チタンとを反応させ、シリサイド化させる。その後、フ
ィールド酸化膜42の上及びゲート側壁54の上の未反
応チタンをH22 /NH4 OHの水溶液で除去し、8
00℃で30秒間のアニールを行う。この結果、図13
に示されるように、ゲート電極46、ソース領域48
a、及びドレイン領域48bの上にチタンシリサイド膜
60が形成される。その後、チタンシリサイド膜60に
高濃度にAs等のn型不純物をイオン注入する。
【0021】次に、図14に示されるように、CVDに
より、例えばシリケートガラスのような層間絶縁膜62
を全面に例えば厚さ約1000nm形成し、N2 ガス中
で900℃、15分間加熱して、この層間絶縁膜62の
平坦化を行う。この加熱により、チタンシリサイド膜6
2に打ち込まれたn型不純物は、下地のSi中へ拡散す
ると共に活性する。さらに、層間絶縁膜62の所定の場
所にコンタクト孔64を形成する。
【0022】その後、図15に示されるように、例えば
チタン層66、チタンナイトライド層68、及びアルミ
ニウム層70からなる積層配線を行うことにより集積回
路を形成する。上記の製造方法で形成されたシリサイド
層のシート抵抗低減の効果を図16に示す。(a)は、
380kHzの高周波で励起されたプラズマ照射をし、
汚染層除去のみを行った場合、(b)は、400kHz
の高周波で励起されたプラズマを照射し、汚染層除去の
みを行った場合、(c)は、380kHzの高周波で励
起されたプラズマを照射したのちに、汚染層除去とダメ
ージ層を除去した場合、(d)は、400kHzの高周
波で励起されたプラズマを照射したのちに、汚染層除去
とダメージ層を除去した場合それぞれについて、その上
に形成されたチタンサリサイド層62のシート抵抗を測
定した結果を示す。図16に示されるように、本実施例
の半導体装置の製造方法によれば、シート抵抗を約40
%下げることができた。
【0023】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ゲート、ソース、及びドレインの各領域に金
属珪化物を有する半導体装置を製造する際に、Si基板
の表面の汚染層とダメージ層を除去するので、ゲート、
ソース、ドレインの各領域のシート抵抗値を下げること
ができる。これにより、寄生抵抗が小さく、動作速度の
速い半導体装置を形成することができる。また、一様な
シリサイド層が形成されるので、シリサイド層と下地S
iとの界面が平坦になり、シリサイド層の熱的安定性が
向上し、層間絶縁膜を平坦化するための加熱によるシリ
サイド層のシート抵抗上昇を防ぐことができる。
【0024】さらに、上記トランジスタをウエハ面内均
一に高精度にしかも高スループットで製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】試料をX線光電子分光で分析した結果を示すグ
ラフである。
【図2】SiCを含むダメージ層がある表面に対してT
iシリサイドを形成した後にオージェ電子分光によって
元素の深さ方向の分析を行った結果を示すグラフであ
る。
【図3】Si基板に形成された汚染層とダメージ層とを
示す断面図である。
【図4】Si基板に形成された汚染層を除去する様子を
示す模式図である。
【図5】Si基板に形成されたダメージ層を除去する様
子を示す模式図である。
【図6】(a)は、ダメージ層を除去する前後のXPS
スペクトルを示すグラフ、(b)は、ダメージ層を除去
すると窒化物になる割合に比べ珪化物になる割合が増大
する様子を示す模式図である。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を示
し、多結晶Siからなるゲート電極が形成される工程ま
で終了した段階を示す断面図である。
【図8】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を示
し、SiO2 膜を異方性エッチングしている様子を示す
断面図である。
【図9】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を示
し、ゲート側壁が形成された状態を示す断面図である。
【図10】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、汚染層を除去する様子を示す断面図である。
【図11】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、ダメージ層を除去する様子を示す断面図である。
【図12】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、チタン膜が形成された状態を示す断面図である。
【図13】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、チタンシリサイド膜が形成された状態を示す断面
図である。
【図14】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、層間絶縁膜が形成された状態を示す断面図であ
る。
【図15】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を
示し、積層配線が形成された状態を示す断面図である。
【図16】本発明の一実施例の半導体装置の製造方法で
形成されたシリサイド層のシート抵抗低減の効果を示す
グラフである。
【図17】従来の半導体装置の製造方法を示し、反応性
イオンエッチングによりゲート側壁を形成する様子を示
す断面図である。
【図18】従来の半導体装置の製造方法を示し、ゲート
側壁が形成された半導体基板を示す断面図である。
【図19】従来の半導体装置の製造方法を示し、ゲート
側壁が形成された半導体基板にチタン膜が形成された様
子を示す断面図である。
【図20】従来の半導体装置の製造方法を示し、チタン
シリサイド膜が形成された半導体基板を示す断面図であ
る。
【図21】従来の半導体装置の製造方法を示し、フロロ
カーボンのポリマー(CnFm)からなる汚染層が形成
された半導体基板を示す断面図である。
【図22】従来の半導体装置の製造方法を示し、酸素プ
ラズマを用いて汚染層を除去する様子を示す断面図であ
る。
【図23】周波数が異なるエッチング装置を用いてサリ
サイドトランジスタを形成した場合のTiSi2 層のシ
ート抵抗の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
40 半導体基板 44 ゲート絶縁膜 46 ゲート電極 48a ソース領域 48b ドレイン領域 55 汚染層 56 ダメージ層 58 チタン膜 60 チタンシリサイド膜 62 層間絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/768 29/78 21/336 7514−4M H01L 29/78 301 P

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲート電極と該ゲート電極を挟んだソー
    スドレイン領域とが形成されたSi基板に絶縁膜を形成
    する工程と、 該絶縁膜をエッチバックすることによりゲート側壁を形
    成する工程と、 前記エッチバックの際に前記Si基板に形成されたフロ
    ロカーボンのポリマーからなる汚染層を該Si基板から
    除去する工程と、 前記エッチバックの際に前記汚染層の下に形成されたS
    iCを含有するダメージ層を、前記汚染層が除去された
    Si基板から除去する工程と、 前記汚染層と前記ダメージ層が除去されたSi基板に高
    融点金属を堆積する工程と、 該高融点金属が堆積されたSi基板を熱処理することに
    より、前記ゲート電極、及び前記ソースドレイン領域そ
    れぞれに含有されたSiと前記高融点金属とを反応させ
    て合金化する工程とを含むことを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
JP28693093A 1993-11-16 1993-11-16 半導体装置の製造方法 Pending JPH07142447A (ja)

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