WO2000057463A1 - Procede de traitement thermique et de formation d'un film mince - Google Patents

Procede de traitement thermique et de formation d'un film mince Download PDF

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WO2000057463A1
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heat treatment
forming
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Kenji Suzuki
Masahiko Matsudo
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Tokyo Electron Limited
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    • H01L21/28035—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities
    • H01L21/28044—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities the conductor comprising at least another non-silicon conductive layer
    • H01L21/28052—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon characterised by the conductor the final conductor layer next to the insulator being silicon, e.g. polysilicon, with or without impurities the conductor comprising at least another non-silicon conductive layer the conductor comprising a silicide layer formed by the silicidation reaction of silicon with a metal layer

Definitions

  • the present invention relates to a method for heat-treating a thin film used for a gate electrode / wiring of a semiconductor device and a method for forming a thin film.
  • Layers are widely used.
  • the tungsten silicide layer which is the upper layer of the polysilicon structure, is generally formed by a CVD method using WF 6 / SiC 12 H 2 / Ar as a reaction gas.
  • the tungsten silicide layer is required by adjusting the deposition temperature, the pressure of the reaction gas, the gas flow rate, the gas flow rate ratio, and the like. The film quality has been obtained.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to reliably realize a low resistance of a thin film, and to perform a heat treatment method for a thin film and a thin film capable of coping with a further lower resistance in the future. It is intended to provide a forming method.
  • the present invention relates to a heat treatment method for a thin film provided on a substrate and having a metal silicide layer containing a group V element of the periodic table, comprising: a heating step of heating the thin film to a predetermined temperature; A heat treatment for the thin film, comprising: a temperature maintaining step of maintaining the thin film; and a temperature decreasing step of cooling the thin film from a predetermined temperature, wherein the thin film is heated in an oxidizing gas or a gas atmosphere containing an oxidizing gas in at least the temperature increasing step.
  • the present invention is a heat treatment method for a thin film, wherein the thin film is provided on a silicon substrate.
  • the present invention is the heat treatment method for a thin film, wherein the thin film is provided on the silicon substrate side, and further includes a polysilicon layer containing an element of Group V of the periodic table.
  • the present invention is a method for heat treating a thin film, wherein in the temperature maintaining step and the temperature lowering step, the temperature of the thin film is maintained in an inert gas atmosphere, and the thin film is cooled.
  • the present invention is a heat treatment method for a thin film, wherein the thin film has a metal silicide layer containing a phosphorus atom.
  • the present invention is the heat treatment method, wherein the oxidizing gas is an oxygen gas, and the gas containing the oxidizing gas is a mixed gas of an oxygen gas and an inert gas.
  • the present invention is a heat treatment method for a thin film, wherein the thin film is heated to 950 ° C. to 110 ° C. in the heating step.
  • the present invention relates to a method for forming a thin film having a metal silicide layer containing a group V element of the periodic table on a substrate, comprising the steps of: Forming a thin film having a metal silicide layer containing: a temperature increasing step of heating the thin film to a predetermined temperature; a temperature maintaining step of maintaining the thin film at a predetermined temperature; and a cooling step of cooling the thin film from a predetermined temperature.
  • a method for forming a thin film comprising heating the thin film in an oxidizing gas or a gas atmosphere containing an oxidizing gas, at least in a temperature raising step.
  • the present invention is a method for forming a thin film, wherein the thin film is provided on a silicon substrate.
  • the present invention is the method for forming a thin film, wherein the thin film is provided on the silicon substrate side, and further includes a polysilicon layer containing an element of Group V of the periodic table.
  • the present invention provides a method for forming a thin film, comprising: maintaining a temperature of a thin film in an inert gas atmosphere and cooling the thin film in a temperature maintaining step and a temperature decreasing step.
  • the present invention is a method for forming a thin film, wherein the thin film has a metal silicide layer containing a phosphorus atom.
  • the present invention is the method for forming a thin film, wherein the oxidizing gas is an oxygen gas, and the gas containing the oxidizing gas is a mixed gas of an oxygen gas and an inert gas.
  • the present invention is a method for forming a thin film, wherein the thin film is heated to 950 ° C. to 110 ° C. in the heating step.
  • the present inventors have conducted various studies on conventional heat treatment methods in order to overcome the limitation of lowering the resistance by the film formation method.
  • the conventional heat treatment method uses an inert gas such as nitrogen gas to adjust the film quality of the thin film.
  • inert gas such as nitrogen gas
  • inert gas was an obstacle to lowering the resistance. That is, since the thin film is heat-treated in an inert gas atmosphere, impurities such as phosphorus atoms contained in the thin film and contributing to low resistance are thermally diffused in the thin film during the heat treatment and escape from the thin film. It is considered that one of the reasons is that the effect of lowering the resistance due to the addition of impurities to the wrinkles originally obtained during film formation is impaired.
  • the present inventors have found that by performing heat treatment of a thin film under a specific gas atmosphere, it is possible to prevent impurities such as phosphorus atoms from coming out of the thin film, and to realize a further lower resistance of the thin film. Was found.
  • the thin film to be subjected to the heat treatment of the present invention is a thin film having a metal silicide layer containing an element belonging to Group V of the periodic table.
  • the metal silicide layer has a low resistance by containing an element belonging to Group V of the periodic table, and is formed by a conventionally known method.
  • Elements of group V in the periodic table have long been widely used as dopant in thin films, including phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth.
  • the thin film according to the present invention is a thin film having at least a metal silicide layer.
  • the thin film in the present invention may be a thin film composed of only a metal silicide layer, or a thin film in which a metal silicide layer is stacked on a polysilicon layer.
  • the metal silicide includes, for example, evening stainless silicide, titanium silicide, cobalt silicide, molybdenum silicide, and the like.
  • the thin film to be subjected to the heat treatment of the present invention is a thin film having a polysilicon layer and a metal silicide layer containing an element belonging to Group V of the periodic table.
  • This thin film contains a Group V element in the polysilicon layer and the metal silicide layer.
  • These two layers may be continuously formed by the same film forming apparatus, or the polysilicon layer and the metal silicide layer may be formed separately using different film forming apparatuses. Whichever film deposition method is used, By including a Group V element in the metal silicide layer, the crystal grain size and crystal direction of the metal silicide layer can be controlled appropriately, and a stable material with low specific resistance and excellent migration resistance can be obtained. it can.
  • the metal silicide layer is preferably, for example, an tungsten silicide layer, and the group V element contained in the tungsten silicide layer is, for example, preferably a phosphorus atom.
  • the present applicant has already proposed a method of forming a tungsten silicide film containing a phosphorus atom in Japanese Patent Application No. 10-26203.
  • the heat treatment method of the present invention is performed in an oxidizing gas or a gas atmosphere containing an oxidizing gas.
  • the heat treatment step includes a heating step of raising the temperature of the thin film to a predetermined (eg, 950 to 110 ° C.) heat treatment temperature, and a temperature maintaining step of heat treating the thin film while maintaining the heat treatment temperature after the temperature rise.
  • the oxidizing gas is composed of oxygen gas
  • the gas containing oxidizing gas is composed of a gas obtained by adding an oxidizing gas such as oxygen gas to an inert gas such as nitrogen gas, and includes the oxidizing gas or the oxidizing gas.
  • the heat treatment apparatus used in the heat treatment method of the present invention includes a single-wafer heat treatment apparatus using a halogen lamp or the like and a batch heat treatment apparatus using a diffusion furnace such as an electric furnace. Considering the future increase in the diameter of semiconductor wafers, a single-wafer heat treatment apparatus is preferable.
  • an oxidizing gas or a gas containing an oxidizing gas is used at least in the temperature raising step of the thin film.
  • the temperature of the thin film is increased by using an oxidizing gas or a gas containing an oxidizing gas in the temperature raising step in order to raise the temperature of the thin film to a heat treatment temperature of, for example, about 100 ° C.
  • a heat treatment temperature for example, about 100 ° C.
  • an oxide film is formed. Therefore, in the step after the temperature rise, that is, in the temperature maintaining step of maintaining a heat treatment temperature of, for example, about 100 ° C. and in the subsequent temperature decreasing step, an inert gas such as a nitrogen gas containing no oxidizing gas is used. Is also good.
  • the surface of the thin film is already protected by an oxide film in the temperature raising process, it is possible to prevent the escape of Group V elements such as phosphorus atoms in the process after the temperature increase even if an inert gas such as nitrogen gas is used. It is possible to further reduce the resistance.
  • an oxidizing gas or a gas containing an oxidizing gas only in the temperature raising step, and to use an inert gas such as nitrogen gas in the step after the temperature raising. That is, it is preferable to use an inert gas such as nitrogen gas in the temperature maintaining step and the temperature lowering step after the temperature rise.
  • FIG. 1 is an enlarged sectional view showing a thin film used in the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature, the specific resistance value, and the number of phosphorus atoms contained in the tungsten layer.
  • FIG. 3 is a distribution diagram of a specific resistance value in a semiconductor wafer in a case where oxygen gas is used in a raising and lowering step of a heat treatment and a nitrogen gas is used in a step after heating.
  • FIG. 4 is a distribution diagram of a specific resistance value in a semiconductor wafer in a case where oxygen gas is used in the temperature raising step of the heat treatment and all the steps thereafter.
  • FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a gate portion of a semiconductor device which is a thin film used in the heat treatment method of the present embodiment.
  • a silicon oxide film 2 serving as a gate insulating film having a thickness of about 100 ⁇ is formed on a silicon substrate 1.
  • a polysilicon layer 3 containing phosphorus atoms having a thickness of about 1000 angstroms is formed.
  • an evening silicide layer (metal silicide layer) 4 is formed on the polysilicon layer 3.
  • This tungsten silicide layer (metal silicide layer) 4 is formed in two layers, a lower layer 5 and an upper layer 6, as shown in FIG.
  • the lower layer 5 is a layer for providing a growth nucleus when forming the upper layer 6, and is made of a relatively silicon-rich tungsten silicide.
  • the upper layer 6 is a main layer occupying most of the thickness of the tungsten silicide layer, and is composed of a relatively tungsten-rich layer.
  • the lower layer 5 is, for example, about 20 At 0 Angstroms thick, the upper layer 6 is, for example, about 1 000 Angstroms thick, and the combined thickness of both layers is about 1,200 Angstroms thick.
  • the polysilicon layer 3 and the tungsten silicide layer 4 form a thin film (polyside layer).
  • the tungsten silicide layer 4 of the above-mentioned thin film can be formed in two steps as described below, for example, by dividing it into a lower layer 5 and an upper layer 6.
  • a method of forming a thin film will be described.
  • Reaction gas phosphine gas is added in the first step (WF 6 / S i C 1 2 H 2 / A r / PH 3 / Ar ( Bakkusai Dogasu) Double 1 sc cm / 3 00 sc cm / 1 00 sc cm / 60 sccm / 1 OO sccm (PH3 indicates the flow rate of a dilution of 1%; the same applies to the following embodiments)) is supplied into the chamber 1 and the temperature of the susceptor in the chamber 1 is about 625 °.
  • a film was formed on the polysilicon layer 3 of the semiconductor wafer for about 50 seconds under the condition that the gas pressure in the chamber was about 4.5 Torr, and a lower layer 5 of about 200 ⁇ was obtained.
  • the concentration of phosphine gas is about 0.111 vol.%.
  • the upper layer 6 is formed by continuous film formation.
  • An upper layer 6 of 000 ⁇ was obtained.
  • the amount of phosphine gas added was reduced in the second step of forming the upper layer 6 from the first step of forming the lower layer 5. In this case, the concentration of the phosphine gas is about 0.02 vol.%.
  • the heat treatment (RTA) (Rapid Thermal Annealing) of the thin film formed as described above was performed in different gas atmospheres with the temperature profiles shown in Table 1.
  • RTA Rapid Thermal Annealing
  • FIG. Figure 2 shows the heat treatment temperature, the specific resistance R s of the thin film (polyside layer) composed of the polysilicon layer 3 and the tungsten silicide layer 4, and the count of the phosphorus atoms contained in the tungsten silicide layer 4.
  • 9 is a graph showing a relationship with the number of objects. Note that the phosphorus atom count was obtained by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).
  • the thin film has the tungsten silicide layer 4, but the crystal structure of the tungsten silicide layer 4 changes due to the heat treatment including the temperature raising step, the temperature maintaining step, and the temperature lowering step.
  • the specific resistance value Rs decreases.
  • an oxide film can be formed on the surface of the tungsten silicide layer 4 to prevent the escape of phosphorus atoms. As a result, the specific resistance value Rs can be reliably reduced.
  • the RTA in order to observe the effect of the RTA on the specific resistance of the oxygen gas in each step, the RTA was performed while changing the supply condition of the oxygen gas.
  • the oxygen gas is supplied under the conditions shown in Table 1 to raise the temperature, and after the temperature is raised to 100 ° C., the oxygen gas is immediately replaced with nitrogen gas, and the nitrogen gas is used. After the replacement, the reaction was performed while supplying nitrogen gas in the temperature maintaining step and the temperature decreasing step.
  • FIG. 3 According to the results shown in FIG. 3, the contour line width of the specific resistance Rs in the semiconductor wafer surface is wide, the uniformity in the surface is 3.18%, and the specific resistance Rs is uniform. Was. It should be noted that in FIG. 3, the thick line indicates the contour line of the average value of the specific resistance Rs, and the same applies to FIG. 4.
  • the heat treatment method of the present invention can also be applied to a heat treatment using a batch type heat treatment apparatus.
  • the oxygen gas is used as the oxidizing gas.
  • the oxidizing gas is not limited to the oxygen gas, and is not particularly limited as long as it is a gas such as water vapor that creates an atmosphere capable of forming an oxide film on the surface of the thin film.
  • the gas containing the oxidizing gas may be a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas. The mixing ratio of nitrogen gas and oxygen gas is 90:10, 80:20, 70:30, etc. Can be mentioned.

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Description

明 现 曞
薄膜の熱凊理方法および薄膜の圢成方法 技術分野
本発明は、 半導䜓装眮のゲヌト電極/配線に甚いられる薄膜の熱凊理方法およ び薄膜の圢成方法に関する。
背景技術
L S Iなどの半導䜓装眮においお、 ゲヌト電極及び配線の䜎抵抗化のため、 ゲ ヌト電極及び配線ずしお䟋えば燐等の䞍玔物のドヌピングにより䜎抵抗化された ポリシリコン局ずタングステンシリサむ ド局を有するポリサむド局が広く甚いら れおいる。 ポリサむ ド構造の䞊局であるタングステンシリサむド局は、 䞀般に W F 6/ S i C 1 2 H 2/A rを反応ガスずした C V D法で成膜される。 そこで、 ポ リシリコン局䞊にタングステンシリサむ ド局を圢成する堎合には、 成膜枩床や反 応ガスの圧力、 ガス流量、 ガス流量比等を調敎しおタングステンシリサむ ド局の 必芁ずされる膜質を埗おいる。
最近の埮现化技術の急速な発展によりゲ䞀ト電極 Z配線には䞀局の䜎抵抗化が 芁求されるおいるため、 埓来からタングステンシリサむ ド局に぀いおは反応ガス (W F 6/ S i C 1 2 H 2/A r ) の条件を皮々怜蚎しお薄膜の䜎抵抗化を図っお いる。 しかしながら、 反応ガスの条件を倉化させお薄膜の成分を調敎するだけで は薄膜の䜎抵抗化には限界がある。 このため埓来の方法では、 今埌の曎なる埮现 化、 薄膜化に察応した䜎抵抗化を図るこずはむずかしい。
発明の開瀺
本発明は、 䞊蚘課題を解決するためになされたものであり、 薄膜の䜎抵抗化を 確実に実珟するこずができ、 今埌の曎なる䜎抵抗化に察応可胜な薄膜の熱凊理方 法および薄膜の圢成方法を提䟛するこずを目的ずしおいる。
本発明は、 基板䞊に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局 を有する薄膜に察する熱凊理方法においお、 薄膜を所定枩床たで加熱する昇枩ェ 皋ず、 薄膜を所定枩床に維持する枩床維持工皋ず、 薄膜を所定枩床から冷华する 降枩工皋ずを備え、 少なくずも昇枩工皋においお、 酞化性ガスたたは酞化性ガス を含むガス雰囲気で薄膜を加熱するこずを特城ずする薄膜の熱凊理方法である。 本発明は、 薄膜はシリコン基板䞊に蚭けられおいるこずを特城ずする薄膜の熱 凊理方法である。
本発明は、 薄膜はシリコン基板偎に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含むポ リシリコン局を曎に有するこずを特城ずする薄膜の熱凊理方法である。
本発明は、 枩床維持工皋および降枩工皋では、 䞍掻性ガス雰囲気で、 薄膜に察 しお枩床維持を行ない、 か぀薄膜を冷华するこずを特城ずする薄膜の熱凊理方法 である。
本発明は、 薄膜は燐原子を含む金属シリサむ ド局を有するこずを特城ずする薄 膜の熱凊理方法である。
本発明は、 酞化性ガスは酞玠ガスであり、 酞化性ガスを含むガスは酞玠ガスず 䞍掻性ガスずの混合ガスからなるこずを特城ずする熱凊理方法である。
本発明は、 加熱工皋では薄膜は 9 5 0 ° 〜 1 1 0 0 °Cたで加熱されるこずを特 城ずする薄膜の熱凊理方法である。
本発明は、 基板䞊に、 呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局を有する 薄膜を圢成する薄膜の圢成方法においお、 基板䞊に反応ガスを甚いお呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局を有する薄膜を圢成する工皋ず、 薄膜を所定 枩床たで加熱する昇枩工皋ず、 薄膜を所定枩床に維持する枩床維持工皋ず、 薄膜 を所定枩床から冷华する降枩工皋ずを備え、 少なくずも昇枩工皋においお、 酞化 性ガスたたは酞化性ガスを含むガス雰囲気で薄膜を加熱するこずを特城ずする薄 膜の圢成方法である。
本発明は、 薄膜はシリコン基板䞊に蚭けられおいるこずを特城ずする薄膜の圢 成方法である。
本発明は、 薄膜はシリコン基板偎に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含むポ リシリコン局を曎に有するこずを特城ずする薄膜の圢成方法である。
本発明は、 枩床維持工皋および降枩工皋では、 䞍掻性ガス雰囲気で、 薄膜に察 しお枩床維持を行ない、 か぀薄膜を冷华するこずを特城ずする薄膜の圢成方法で める。
本発明は、 薄膜は燐原子を含む金属シリサむ ド局を有するこずを特城ずする薄 膜の圢成方法である。 本発明は、 酞化性ガスは酞玠ガスであり、 酞化性ガスを含むガスは酞玠ガスず 䞍掻性ガスずの混合ガスからなるこずを特城ずする薄膜の圢成方法である。 本発明は、 加熱工皋では薄膜は 9 5 0 ° 〜 1 1 0 0 °Cたで加熱されるこずを特 城ずする薄膜の圢成方法である。
本発明者等は、 成膜方法による䜎抵抗化の限界を克服するために埓来の熱凊理 方法に぀いお皮々怜蚎した結果、 埓来の熱凊理方法は薄膜の膜質調敎に窒玠ガス 等の䞍掻性ガスを甚いおいるが、 窒玠ガス等の䞍掻性ガスが䜎抵抗化を阻む原因 になっおいるこずを突き止めた。 即ち、 薄膜を䞍掻性ガス雰囲気䞋で熱凊理を行 ぀おいるため、 薄膜に含たれる、 䜎抵抗化に寄䞎しおいる燐原子等の䞍玔物が熱 凊理時に薄膜内で熱拡散しお薄膜から抜け出し、 本来成膜時に埗られた笞の䞍玔 物添加による䜎抵抗化効果が阻害されおいるこずが䞀因であるず考えられる。 そ こで、 本発明者等は、 特定のガス雰囲気䞋で薄膜の熱凊理を行うこずにより薄膜 からの燐原子等の䞍玔物の抜け出し防止するこずができ、 ひいおは薄膜の曎なる 䜎抵抗化を実珟できるこずを知芋した。
本発明の熱凊理察象ずなる薄膜は呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド 局を有する薄膜である。 金属シリサむ ド局は呚期埋衚の V族の元玠を含むこずで 䜎抵抗化されたものであり、 埓来から公知の方法により成膜される。 呚期埋衚の V族の元玠は埓来から薄膜のドヌパンントずしお広く甚いられおいるもので、 こ れには燐、 ヒ玠、 アンチモン及びビスマスがある。 たた、 本発明における薄膜は 少なくずも金属シリサむ ド局を有する薄膜である。 埓っお、 本発明における薄膜 は金属シリサむ ド局のみからなる薄膜であっおも良く、 ポリシリコン局の䞊に金 属シリサむ ド局を重ねた薄膜であっおも良い。 金属シリサむ ドには䟋えば倕ング ステンシリサむ ド、 チタンシリサむ ド、 コバルトシリサむ ド、 モリブデンシリサ ィ ド等がある。
たた、 本発明の熱凊理察象ずなる薄膜は呚期埋衚の V族の元玠を含む、 ポリシ リコン局及び金属シリサむ ド局を有する薄膜である。 この薄膜はポリシリコン局 および金属シリサむ ド局に V族元玠が含たれおいる。 これら䞡局は同䞀の成膜装 眮で連続的に成膜しおも良く、 たた、 別々の成膜装眮を甚いおポリシリコン局ず 金属シリサむ ド局を個別に成膜しおも良い。 いずれの成膜方法を採るにしおも、 金属シリサむ ド局に V族元玠を含たせるこずで、 金属シリサむ ド局の結晶粒埄や 結晶方向を適宜制埡するこずができ、 比抵抗が小さくマむグレヌシペン耐性に優 れ安定したものを埗るこずができる。 金属シリサむ ド局ずしおは䟋えば倕ングス テンシリサむ ド局が奜たしく、 このタングステンシリサむ ド局に含たせる V族元 玠ずしお䟋えば燐原子が奜たしい。 燐原子を含むタングステンシリサむ ド膜の成 膜方法に぀いおは本出願人が特願平 1 0— 2 6 2 3 0 7号においお既に提案しお いる。
本発明の熱凊理方法は酞化性ガスたたは酞化性ガスを含むガス雰囲気䞋で行わ れる。 熱凊理工皋は、 薄膜を所定 䟋えば、 9 5 0〜 1 1 0 0 °C) の熱凊理枩床 たで昇枩する昇枩工皋ず、 昇枩埌の熱凊理枩床を維持しお薄膜を熱凊理する枩床 維持工皋ず、 その埌の降枩工皋を含み、 少なくずも昇枩工皋においお酞化性ガス たたは酞化性ガスを含むガスが甚いられる。 酞化性ガスは酞玠ガスからなり、 た た酞化性ガスを含むガスは窒玠ガス等の䞍掻性ガスに酞玠ガス等の酞化性ガスが 添加されたガスからなり、 酞化性ガスたたは酞化性ガスを含むガス雰囲気䞋で薄 膜を熱凊理するこずで薄膜の衚面に酞化膜が圢成される。 この酞化膜により薄膜 から燐原子等の V族元玠の抜け出し防止するこずができ、 ひいおは薄膜の曎なる 䜎抵抗化を実珟するこずができる。 本発明の熱凊理方法に甚いられる熱凊理装眮 はハロゲンランプ等を甚いた枚葉匏熱凊理装眮ず電気炉等の拡散炉を甚いたバッ チ匏熱凊理装眮がある。 今埌の半導䜓りェハの倧口埄化を勘案すれば枚葉匏熱凊 理装眮が奜たしい。
たた、 本発明の熱凊理方法は、 少なくずも薄膜の昇枩工皋で酞化性ガスたたは 酞化性ガスを含むガスを甚いる。 昇枩工皋では薄膜を䟋えば 1 0 0 0 °C前埌の熱 凊理枩床たで昇枩するため、 昇枩工皋で酞化性ガスたたは酞化性ガスを含むガス を甚いるこずにより薄膜の衚面には枩床維持工皋開始前に酞化膜が圢成される。 埓っお、 昇枩埌の工皋、 即ち、 䟋えば 1 0 0 0 °C前埌の熱凊理枩床を維持する枩 床維持工皋及びその埌の降枩工皋では酞化性ガスを含たない窒玠ガス等の䞍掻性 ガスを甚いおも良い。 薄膜の衚面は昇枩工皋で既に酞化膜で保護されおいるため、 昇枩埌の工皋では窒玠ガス等の䞍掻性ガスを甚いおも燐原子等の V族元玠の抜け 出しを防止するこずができ、 曎なる䜎抵抗化を実珟するこずができる。 たた、 本発明の熱凊理方法では、 昇枩工皋のみ、 酞化性ガスたたは酞化性ガス を含むガスを甚い、 昇枩埌の工皋では窒玠ガス等の䞍掻性ガスを甚いるこずが奜 たしい。 即ち、 昇枩埌の枩床維持工皋及び降枩工皋では窒玠ガス等の䞍掻性ガス を甚いるこずが奜たしい。 特に、 枚葉匏の熱凊理方法では R T A (Rapid Therma 1 Annealing)により短時間で熱凊理を行うため、 半導䜓りェハ内での比抵抗倀の 分垃が䞍均䞀になり、 比抵抗倀のバラツキが倧きくなりがちである。 ずころが、 昇枩埌の工皋で䞍掻性ガスを甚いるこずで R T Aの匱点を補い、 半導䜓りェハ党 面での比抵抗倀のバラツキを栌段に抑制するこずができる。
図面の簡単な説明
図 1は本発明に甚いられる薄膜を拡倧しお瀺す断面図である。
図 2は熱凊理枩床ず、 比抵抗倀及びタングステン局内に含たれおいる燐原子の カりント数ずの関係を瀺すグラフである。
図 3は熱凊理の昇降工皋で酞玠ガスを甚い、 昇枩埌の工皋では窒玠ガスを甚い た堎合の半導䜓りェハ内の比抵抗倀の分垃図である。
図 4は熱凊理の昇枩工皋及びそれ以降の党工皋で酞玠ガスを甚いた堎合の半導 䜓りェハ内の比抵抗倀の分垃図である。
発明を実斜するための最良の圢態
以䞋、 図 1〜図 4を参照しながら本発明の実斜圢態に぀いお説明する。
図 1は本実斜圢態の熱凊理方法に甚いられる薄膜である半導䜓装眮のゲヌト郚 を拡倧しお瀺す断面図である。 図 1に瀺すように、 䟋えば、 シリコン基板 1䞊に は玄 1 0 0オングストロ䞀ム厚のゲヌト絶瞁膜ずなるシリコン酞化膜 2が圢成さ れおいる。 このシリコン酞化膜 2䞊には玄 1 0 0 0オングストロヌム厚の燐原子 を含むポリシリコン局 3が圢成されおいる。 曎に、 ポリシリコン局 3䞊には倕ン グステンシリサむ ド局 金属シリサむ ド局 4が圢成されおいる。
このタングステンシリサむ ド局 金属シリサむ ド局 4は図 1に瀺すように䞋 å±€ 5ず䞊局 6の二局に分かれお圢成されおいる。 äž‹å±€ 5は䞊局 6を成膜する際の 成長栞を提䟛するための局で、 比范的シリコンリッチなタングステンシリサむ ド からな぀おいる。 䞊局 6はタングステンシリサむ ド局の厚みのほずんどを占める 䞻局で、 比范的タングステンリッチな局からなっおいる。 äž‹å±€ 5は䟋えば玄 2 0 0オングストロヌム厚さで、 䞊局 6は䟋えば玄 1 000オングストロ䞀ム厚で、 䞡方の局を合わせた厚さが玄 1 200オングスト口䞀ム厚になっおいる。
ポリシリコン局 3ずタングステンシリサむ ド局 4ずから薄膜 ポリサむ ド局 が構成されおいる。
䞊蚘薄膜のタングステンシリサむ ド局 4は、 䟋えば䞋局 5ず䞊局 6に分けお䞋 蚘のようにしお二段階で圢成するこずができる。 以䞋、 薄膜の圢成方法を瀺す。 第䞀段階ではホスフィンガスが添加された反応ガス WF6/S i C 12H2/A r/PH3/Ar (バックサむ ドガス 二 1 s c cm/ 3 00 s c cm/ 1 00 s c cm/ 60 s c cm/ 1 O O s c cm (PH3は 1 %に垌釈したものの流量 を瀺す。 以䞋の実斜圢態においおも同じ をチャンバ䞀内ぞ䟛絊し、 チャンバ 䞀内のサセプ倕䞀枩床が玄 625°Cで、 チャンバ䞀内のガス圧力が玄 4. 5 T o r rの条件䞋で半導䜓りェハのポリシリコン局 3䞊に玄 50秒間成膜凊理を斜し、 箄 200オングストロヌムの䞋局 5を埗た。 この堎合、 ホスフィンガスの濃床は 箄 0. 1 1 vo l. %である。
匕き続き、 連続成膜により䞊局 6を圢成する。 この第二段階ではホスフィンガ スが添加された反応ガス WF6/S i C 12H2/Ar/PH3/Ar (バックサ ィ ドガス ) = 5 s c c mz 60 s c c m/ 350 s c c m/ 10 s c c m/ 10 0 s c cm) をチャンバ䞀内ぞ䟛絊し、 サセプ倕䞀枩床が玄 625°Cで、 チャン バ䞀内圧力が玄 4. 5 T o r rの条件䞋で玄 40秒間成膜凊理を斜し、 箄 1 00 0オングストロヌムの䞊局 6を埗た。 本実斜䟋では、 äž‹å±€ 5を圢成する第䞀段階 より䞊局 6を圢成する第二段階においおホスフィンガスの添加量を少なくした。 この堎合、 ホスフィンガスの濃床は玄 0. 02vo l . %である。
そしお、 本実斜圢態では䞊述のようにしお圢成された薄膜の熱凊理 RTA) (Rapid Thermal Annealing) ã‚’è¡š 1に瀺す枩床プロファむルで異なるガス雰囲気 䞭で行った。 䞀぀は昇枩開始から降枩終了たでの党工皋を酞玠ガス雰囲気䞋で行 い、 他は昇枩開始から降枩終了たでの党工皋を窒玠ガス雰囲気䞋で行った。 たた、 昇枩埌維持される枩床を 900〜1 000°Cの範囲でいく぀かの実隓を行った。 工皋順序 ェ 繋 時間 秒 枩床 (。C) ガス流量 (L/秒
1 ガス眮換 1 20 0 3
2 昇枩 (箄 50°C/秒 箄 20 3
3 枩床維持 30 900〜 1100 3
4 降 æž© 90〜 120 3
5 ガス眮換 9 0 0 3 䞊蚘各条件で行った RTAの結果を図 2に瀺した。 図 2は熱凊理枩床ず、 ポリ シリコン局 3ずタングステンシリサむ ド局 4ずからなる薄膜 ポリサむ ド局 の 比抵抗倀 R s及びタングステンシリサむ ド局 4内に含たれおいる燐原子のカりン ト数ずの関係を瀺すグラフである。 尚、 燐原子のカりント数は蛍光 X線分光分析 (XRF) により埗られたものである。
図 2に瀺す結果によれば、 1 000°Cで熱凊理を行うず、 昇枩工皋から降枩ェ 皋たでの党工皋を酞玠ガス雰囲気で行った堎合、 および昇枩工皋から降枩工皋た での党工皋を窒玠ガス雰囲気で行った堎合の双方で比抵抗倀 R sが䜎䞋しおいる が、 前者の比抵抗倀 R sは 32. Q j Q - cm, 埌者のそれは 45 / Ω · c mで あり、 前者の比抵抗倀 R sが埌者のそれより 30%皋小さくな぀おいるこずが刀 ぀た。 曎に、 1 1 00°Cで熱凊理を行うず、 前者の比抵抗倀 Rsは 2 · c m、 埌者のそれは 3 5〃 Ω · c mであり、 前者の比抵抗倀 R sが埌者のそれより 30%皋小さくな぀おいるこずが刀った。 䞀方、 図 2に瀺すように燐原子のカり ント数は 900°Cから 1 1 00°Cたで熱凊理枩床が䞊昇しおも前者、 埌者ずも 900°Cからの䜎䞋はそれほど倧きくはなかった。 比抵抗倀 Rsの䜎枛効果は 9 50〜 1 1 00床の範囲の熱凊理で確認された。 䞊述の通り、 1000〜 1 10 0 °cの範囲での効果が顕著であ぀た。
ここで熱凊理による比抵抗倀の䜎枛に぀いお説明する。 䞊述のように薄膜は倕 ングステンシリサむ ド局 4を有しおいるが、 昇枩工皋、 枩床維持工皋および降枩 工皋からなる熱凊理により、 タングステンシリサむ ド局 4の結晶構造が倉化し、 これにより比抵抗倀 R sが䜎䞋する。 たたこのような熱凊理のうち、 少なくずも昇枩工皋を酞玠ガス雰囲気で行うこ ずにより、 タングステンシリサむ ド局 4の衚面に酞化膜を圢成しお燐原子の抜け 出しを防止するこずができ、 このこずにより比抵抗倀 R sを確実に䜎枛するこず ができる。
たた、 本実斜圢態では R T Aの各工皋での酞玠ガスの比抵抗に䞎える圱響を芳 るために、 酞玠ガスの䟛絊条件を倉えお R T Aを行った。 たず、 R T Aの昇枩ェ 皋では衚 1に瀺す条件で酞玠ガスを䟛絊しお昇枩を行い、 1 0 0 0 °Cたで昇枩埌、 盎ちに酞玠ガスを窒玠ガスで眮換し、 窒玠ガスによる眮換埌には枩床維持工皋及 び降枩工皋で窒玠ガスを䟛絊しながら行った。 その結果を図 3に瀺した。 図 3に 瀺す結果によれば、 半導䜓りェハ面内の比抵抗倀 R sの等高線幅が広く、 面内の 均䞀性は 3 . 1 8 %で比抵抗倀 R sが均䞀化しおいるこずが刀った。 尚、 図 3に おいお、 倪線は比抵抗倀 R sの平均倀の等高線を瀺し、 図 4においおも同様であ る o
次いで、 è¡š 1で瀺す条件で R T Aの党工皋  1 0 0 0 °Cたでの昇枩工皋及びそ の埌の熱凊理工皋、 降枩工皋 で䞀貫しお酞玠ガスを甚いお R T Aを行った。 そ の結果を図 4に瀺した。 図 4に瀺す結果によれば、 半導䜓りェハ面内の比抵抗倀 R sの等高線幅が狭く、 面内の均䞀性が図 3の堎合より䜎䞋するこずが刀぀た。 この堎合の均䞀性は 9 . 2 5 %であった。
埓っお、 R T Aで熱凊理を行う堎合には昇枩工皋でのみ酞化性ガスを甚いるこ ずで䜎抵抗化ず半導䜓りェハ面内での比抵抗倀 R sの均䞀化を実珟できるこずが 刀った。
尚、 䞊蚘実斜圢態では R T Aによる熱凊理に぀いおのみ説明したが、 本発明の 熱凊理方法はバッチ匏熱凊理装眮を䜿甚した熱凊理にも適甚するこずができる。 たた、 䞊蚘実斜圢態では酞化性ガスずしお酞玠ガスを甚いたが、 酞化性ガスは酞 玠ガスに限らず、 氎蒞気など薄膜衚面に酞化膜を圢成できる雰囲気を䜜るガスで あれば特に制限されない。 たた酞化性ガスを含むガスは窒玠ガスず酞玠ガスずの 混合ガスが考えられ、 窒玠ガスず酞玠ガスずの混合比は、 9 0 : 1 0、 8 0 : 2 0、 7 0  3 0等を挙げるこずができる。
以䞊説明したように本発明によれば、 埓来にも増しお薄膜の䜎抵抗化を実珟す るこずができ、 今埌の曎なる䜎抵抗化に察応可胜な薄膜を埗るこずができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板䞊に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局を有 する薄膜に察する熱凊理方法においお、
薄膜を所定枩床たで加熱する昇枩工皋ず、
薄膜を所定枩床に維持する枩床維持工皋ず、
薄膜を所定枩床から冷华する降枩工皋ずを備え、
少なくずも昇枩工皋においお、 酞化性ガスたたは酞化性ガスを含むガス雰囲気 で薄膜を加熱するこずを特城ずする薄膜の熱凊理方法。
2 . 薄膜はシリコン基板䞊に蚭けられおいるこずを特城ずする請求項 1蚘茉 の薄膜の熱凊理方法。
3 . 薄膜はシリコン基板偎に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含むポリシ リコン局を曎に有するこずを特城ずする請求項 2蚘茉の薄膜の熱凊理方法。
4 . 枩床維持工皋および降枩工皋では、 䞍掻性ガス雰囲気で、 薄膜に察しお 枩床維持を行ない、 か぀薄膜を冷华するこずを特城ずする請求項 1蚘茉の薄膜の 熱凊理方法。
5 . 薄膜は燐原子を含む金属シリサむ ド局を有するこずを特城ずする請求項 1蚘茉の薄膜の熱凊理方法。
6 . 酞化性ガスは酞玠ガスであり、 酞化性ガスを含むガスは酞玠ガスず䞍掻 性ガスずの混合ガスからなるこずを特城ずする請求項 1蚘茉の薄膜の熱凊理方法
7 . 加熱工皋では薄膜は 9 5 0 ° 〜1 1 0 0 °Cたで加熱されるこずを特城ず する請求項 1蚘茉の薄膜の熱凊理方法。
8 . 基板䞊に、 呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局を有する薄膜 を圢成する薄膜の圢成方法においお、
基板䞊に反応ガスを甚いお呚期埋衚の V族の元玠を含む金属シリサむ ド局を有 する薄膜を圢成する工皋ず、
薄膜を所定枩床たで加熱する昇枩工皋ず、
薄膜を所定枩床に維持する枩床維持工皋ず、
薄膜を所定枩床から冷华する降枩工皋ずを備え、 少なくずも昇枩工皋においお、 酞化性ガスたたは酞化性ガスを含むガス雰囲気 で簿膜を加熱するこずを特城ずする薄膜の圢成方法。
9 . 薄膜はシリコン基板䞊に蚭けられおいるこずを特城ずする請求項 8蚘茉 の薄膜の圢成方法。
1 0 . 薄膜はシリコン基板偎に蚭けられ、 呚期埋衚の V族の元玠を含むポリ シリコン局を曎に有するこずを特城ずする請求項 9蚘茉の薄膜の圢成方法。
1 1 . 枩床維持工皋および降枩工皋では、 䞍掻性ガス雰囲気で、 薄膜に察し お枩床維持を行ない、 か぀薄膜を冷华するこずを特城ずする請求項 8蚘茉の薄膜 の圢成方法。
1 2 . 薄膜は燐原子を含む金属シリサむ ド局を有するこずを特城ずする請求 項 8蚘茉の薄膜の圢成方法。
1 3 . 酞化性ガスは酞玠ガスであり、 酞化性ガスを含むガスは酞玠ガスず䞍 掻性ガスずの混合ガスからなるこずを特城ずする請求項 8蚘茉の薄膜の圢成方法 c
1 . 加熱工皋では薄膜は 9 5 0 ° 〜 1 1 0 0 °Cたで加熱されるこずを特城 ずする請求項 8蚘茉の薄膜の圢成方法。
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