(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上面にシリコンよりなる半導体層と遷移金属よりなる導体膜とが積層された測定用基板を所定温度で所定時間加熱した後、前記半導体層と前記導体膜との界面に対してＸ線照射器からＸ線を照射し、前記界面における前記遷移金属からの回折Ｘ線をＸ線検出器により検出して、前記遷移金属の回折ピークを示す回折角度を求める第１の準備工程と、
前記遷移金属の回折ピークが出現しなくなるまで前記測定用基板を前記所定温度よりも高い温度で所定時間加熱して、前記遷移金属の回折ピークが出現しなくなる直前の回折ピークを示す最終回折角度を求める第２の準備工程と、
熱処理装置の基板保持台に保持された前記測定用基板の基板面に対してＸ線を照射するＸ線照射器と前記基板面からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器とを前記最終回折角度に一致するように設ける第３の準備工程と、
基板上面にシリコンよりなる半導体層と遷移金属よりなる導体膜が積層された製造用基板を前記基板保持台に保持した後、前記Ｘ線照射器から前記製造用基板にＸ線を照射しながら該製造用基板を前記Ｘ線検出器が前記最終回折角度を示す前記遷移金属の回折ピークを検出するまで加熱する加熱工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程の後に、
前記第２の準備工程で用いた温度よりも高い温度であって、前記半導体層と前記導体膜とがシリサイド化反応を起こす温度で前記半導体層及び導体膜を加熱することにより、前記半導体層と前記導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記遷移金属はＳｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ又はＮｉであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
反応室と、
前記反応室に設けられ、半導体基板を保持する基板保持手段と、
前記反応室に設けられ、前記半導体基板を加熱する加熱手段と、
前記反応室に設けられ、前記半導体基板の基板面に該基板面に対して最終回折角度でＸ線を照射するＸ線照射手段と、
前記反応室に設けられ、前記基板面からの前記最終回折角度を有する回折Ｘ線を検出し、該回折Ｘ線が検出されるときには第１の検出信号を出力する一方、該回折Ｘ線が検出されないときには第２の検出信号を出力するＸ線検出手段と、
前記第１の検出信号又は前記第２の検出信号が入力され、前記第１の検出信号が入力された場合に前記加熱手段の加熱動作を停止する制御手段とを備え、
前記最終回折角度は、基板上面にシリコンよりなる半導体層と遷移金属よりなる導体膜とが積層された測定用基板を所定の温度で加熱した後、前記導体膜に対してＸ線照射器によりＸ線を照射して、前記基板面からの回折Ｘ線をＸ線検出器により検出した場合に、前記遷移金属の回折ピークが出現しなくなる直前の回折ピークを示す回折角度であることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項５】
前記加熱工程において、前記遷移金属中にはシリコン原子が拡散することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びその製造装置に関し、特に、遷移金属−シリコン反応層（シリサイド層）の製造時にドライエッチング又はイオン注入による損傷の影響をなくし、優れた電気特性を有する半導体装置の製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子には金属層と半導体層とが接してなる界面が種々用いられている。特に、ソース・ドレインとのコンタクト及びゲート電極の低抵抗化を図るためにソース・ドレインの上部及びゲート電極の上部にシリサイド層を設ける方法が広く用いられている。このシリサイド層は、製造時にドライエッチング処理又はイオン注入処理によってその表面に損傷を受けた後のシリコン層上に形成されることが多い。
【０００３】
以下、従来の半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図７（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体装置におけるチタン（Ｔｉ）を用いたコンタクト形成方法の工程順の断面構成を示している。まず、図７（ａ）に示すように、シリコンよりなる基板１０１の上面に、例えば酸化シリコンよりなる層間絶縁膜１０２を堆積し、該層間絶縁膜１０２の上面にレジスト膜１０３を塗布した後、フォトリソグラフィーを用いてレジスト膜１０３に対してパターニングを行なう。続いて、レジスト膜１０３をマスクとして層間絶縁膜１０２に対してドライエッチングを行なって層間絶縁膜１０２にコンタクトホール１０２ａを形成する。このドライエッチングを行なう際に、基板１０１の上面におけるコンタクトホール１０２ａ内の露出面はプラズマにさらされることによってシリコン結晶に損傷を受けてなる損傷層１０１ａが生じる
次に、図７（ｂ）に示すように、等方的で且つ損傷が少ないＣＤＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて基板１０１の損傷層１０１ａに対してドライエッチングを行なって該損傷層１０１ａを除去する。
【０００５】
次に、図７（ｃ）に示すように、窒化チタン（ＴｉＮ）よりなるバリア層１０４及びＴｉよりなる密着層１０５を少なくともコンタクトホール１０２ａの底面及び周面に順次堆積し、その後、基板１０１に対して温度が５００℃〜８００℃で６０秒以内の短時間の熱処理を行なうことにより、基板１０１の上面におけるコンタクトホール１０２ａの下側部分とバリア層１０４との界面にシリサイド層１０６を形成する。その後、図７（ｄ）に示すように、コンタクトホール１０２ａにタングステン（Ｗ）よりなるプラグを充填してコンタクト１０７を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の半導体装置のコンタクト形成方法は、損傷層１０１ａをわざわざ除去する工程が必要なため製造コストが上昇するという問題、損傷層１０１ａの除去処理時に基板１０１の拡散層までもが削られるという問題、及び損傷層１０１ａを安定して除去することが難しいという種々の問題がある。
【０００７】
また、損傷層１０１ａを除去しない場合は、該損傷層１０１ａの損傷の度合いや層の厚みによってシリサイド層の形成速度が異なるため、一律の熱処理条件下では形成されるシリサイド層にばらつきが生じるので、シリサイド層を安定して形成できないという問題がある。また、熱処理時にシリサイド化反応の進行を監視する手段がないことも、安定したシリサイド層を形成できない原因となっている。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決し、シリサイドの形成時にシリコンに損傷層を有していても安定したシリサイド層を形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、シリサイド層の形成時に、まず、シリサイド化反応が起こる前に遷移金属原子とシリコン原子との拡散のみが行なわれる相対的に低い温度で十分に拡散を行なった後、シリサイド化反応が起こる相対的に高い温度で加熱処理を行なう構成とする。
【００１０】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、シリコンよりなる半導体層の上面に遷移金属よりなる導体膜を形成する導体膜形成工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層のシリコン原子と該導体膜の金属原子とを互いに拡散させる拡散工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こす第２の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程とを備えている。
【００１１】
第１の半導体装置の製造方法によると、まず、拡散工程において、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で加熱処理を行なって半導体層のシリコン原子と導体膜の金属原子とを互いに拡散させるため、シリコンよりなる半導体層の上面における導体膜との界面に損傷部が生じていても、損傷を受けていない領域に比べて拡散速度が小さい損傷部にも、損傷を受けていない領域がシリサイド化されることなく、遷移金属原子が十分に拡散する。
【００１２】
第１の半導体装置の製造方法において、第１の温度が２５０℃以上且つ５００℃以下であり、第２の温度が５５０℃以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、シリコンよりなる半導体層の上面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜に対して選択的にエッチングを行なって絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、絶縁膜における開口部の少なくとも底面に遷移金属よりなる導体膜を形成する導体膜形成工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層のシリコン原子と該導体膜の金属原子とを互いに拡散させる拡散工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こす第２の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程とを備えている。
【００１４】
第２の半導体装置の製造方法によると、導体膜形成工程において、絶縁膜の開口部の少なくとも底面に遷移金属よりなる導体膜を形成した後、拡散工程において、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で加熱処理を行なって半導体層のシリコン原子と導体膜の金属原子とを互いに拡散させるため、シリコンよりなる半導体層の上面における導体膜との界面に損傷部が生じていても、損傷を受けていない領域に比べて拡散速度が小さい損傷部にも、損傷を受けていない領域がシリサイド化されることなく、遷移金属原子が十分に拡散する。
【００１５】
第２の半導体装置の製造方法において、第１の温度が２５０℃以上且つ５００℃以下であり、第２の温度が５５０℃以上であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、シリコンよりなる半導体層の上面に絶縁ゲート電極を選択的に形成する絶縁ゲート電極形成工程と、半導体層の上における絶縁ゲート電極を含む全面に絶縁膜を形成した後、絶縁膜に対してエッチバックを行なうことにより、絶縁ゲート電極の側面に絶縁膜よりなるサイドウォールを形成するサイドウォール形成工程と、半導体層の上に全面にわたって遷移金属よりなる導体膜を形成する導体膜形成工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層のシリコン原子と該導体膜の金属原子とを互いに拡散させる拡散工程と、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こす第２の温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を選択的に形成するシリサイド層形成工程とを備えている。
【００１７】
第３の半導体装置の製造方法によると、導体膜形成工程において、半導体層の上に全面にわたって遷移金属よりなる導体膜を形成した後、拡散工程において、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こさない第１の温度で加熱処理を行なって半導体層のシリコン原子と導体膜の金属原子とを互いに拡散させるため、シリコンよりなる半導体層の上面における導体膜との界面に損傷部が生じていても、損傷を受けていない領域に比べて拡散速度が小さい損傷部にも、損傷を受けていない領域がシリサイド化されることなく、遷移金属原子が十分に拡散する。
【００１８】
第３の半導体装置の製造方法において、第１の温度が２５０℃以上且つ５００℃以下であり、第２の温度が５５０℃以上且つ６００℃以下であることが好ましい。
【００１９】
第３の半導体装置の製造方法は、シリサイド層形成工程の後に、シリサイド層を第２の温度よりも高い第３の温度で加熱することにより、シリサイド層をより低抵抗に相転移させるシリサイド層相転移工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、基板上面にシリコンよりなる半導体層と遷移金属よりなる導体膜とが積層された測定用基板を所定温度で所定時間加熱した後、Ｘ線回折法を用いて、半導体層と導体膜との界面における遷移金属の回折ピークを示す回折角度を求める第１の準備工程と、遷移金属の回折ピークが出現しなくなるまで測定用基板を所定温度よりも高い温度で所定時間加熱して、最後に出現した遷移金属の回折ピークを示す最終回折角度を求める第２の準備工程と、熱処理装置の基板保持台に保持された測定用基板の基板面に対してＸ線を照射するＸ線照射器と基板面からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器とを最終回折角度に一致するように設ける第３の準備工程と、基板上面にシリコンよりなる半導体層と遷移金属よりなる導体膜が積層された製造用基板を基板保持台に保持した後、Ｘ線照射器から製造用基板にＸ線を照射しながら該製造用基板をＸ線検出器が遷移金属の回折ピークを検出するまで加熱する拡散工程とを備えている。
【００２１】
第４の半導体装置の製造方法によると、第２の準備工程において、遷移金属の回折ピークが出現しなくなるまで新たな測定用基板を所定温度よりも高い温度で所定時間加熱して、最後に出現した遷移金属の回折ピークを示す最終回折角度を求めるため、遷移金属の回折ピークが出現しなくなった温度で遷移金属がシリサイドに変化したことが分かる。従って、第３の準備工程において、基板保持台に保持された測定用基板の基板面に対してＸ線を照射するＸ線照射器と基板面からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器とを最終回折角度に一致するように設けておき、本番の拡散工程において、Ｘ線照射器から製造用基板にＸ線を照射しながら該製造用基板を、Ｘ線検出器が遷移金属の最終となる回折ピークを検出するまで加熱することにより、特定の加熱温度及び特定の加熱時間に依存することなく、シリサイド化が始まる直前の状態で拡散工程を終わらせることができる。
【００２２】
第４の半導体装置の製造方法は、拡散工程の後に、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こす温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
第１〜４の半導体装置の製造方法において、遷移金属がＳｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ又はＮｉであることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る半導体装置の製造装置は、反応室と、反応室に設けられ、半導体基板を保持する基板保持手段と、反応室に設けられ、半導体基板を加熱する加熱手段と、反応室に設けられ、半導体基板の基板面に該基板面に対して所定角度でＸ線を照射するＸ線照射手段と、反応室に設けられ、基板面からの所定角度を有する回折Ｘ線を検出し、該回折Ｘ線が検出されるときには第１の検出信号を出力する一方、該回折Ｘ線が検出されないときには第２の検出信号を出力するＸ線検出手段と、第１又は第２の検出信号が入力され、第１の検出信号が入力された場合に加熱手段の加熱動作を停止する制御手段とを備えている。
【００２５】
本発明の半導体装置の製造装置によると、半導体基板の基板面に該基板面に対して所定角度でＸ線を照射するＸ線照射手段と、半導体基板の基板面からの所定角度を有する回折Ｘ線を検出するＸ線検出手段と、第１及び第２の検出信号が入力され、第１の検出信号が入力された場合に加熱手段の加熱動作を停止する制御手段とを備えているため、本発明の第４の半導体装置の製造方法を実現できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の第１〜第３の半導体装置の製造方法によると、シリコンよりなる半導体層の上面における導体膜との界面に損傷部が生じていても、損傷を受けていない領域に比べて拡散速度が小さい損傷部にも、損傷を受けていない領域がシリサイド化されることなく、遷移金属原子が十分に拡散するため、拡散状態がばらつくことなく、シリコンよりなる半導体層と導体膜との界面に安定してシリサイド層を形成できる。
【００２７】
第１及び第２の半導体装置の製造方法において、第１の温度が２５０℃以上且つ５００℃以下であると、シリサイド化反応を起こすことなくシリコンと遷移金属の拡散を確実に行なえると共に、第２の温度が５５０℃以上であると、遷移金属のシリサイド化を確実に行なえる。
【００２８】
第３の半導体装置の製造方法において、第１の温度が２５０℃以上且つ５００℃以下であると、シリサイド化反応を起こすことなくシリコンと遷移金属の拡散を確実に行なえると共に、第２の温度が５５０℃以上且つ６００℃以下であると、サイドウォール上の導体膜をシリサイド化させることなく、シリコンとの半導体層との界面のみに遷移金属のシリサイド化を確実に行なえる。
【００２９】
第３の半導体装置の製造方法が、シリサイド層形成工程の後に、シリサイド層を第２の温度よりも高い第３の温度で加熱することにより、シリサイド層をより低抵抗に相転移させるシリサイド層相転移工程をさらに備えていると、シリサイド層がより低抵抗化されるので、半導体装置の電気的特性が向上する。
【００３０】
本発明の第４の半導体装置の製造方法によると、Ｘ線検出器が遷移金属の最終となる回折ピークを検出するまで加熱するため、シリコンよりなる半導体層の上面における導体膜との界面に損傷部が生じていても、シリサイド化が始まる直前の状態、すなわち、遷移金属原子とシリコン原子とが十分に拡散した状態で拡散工程を終えることができるため、拡散状態にばらつきが生じない。従って、この後、第２の基板に対して従来のように高温短時間の熱処理を行なうだけでシリコンよりなる第２の半導体層と第２の導体膜との界面に安定したシリサイド層を形成できる。
【００３１】
第４の半導体装置の製造方法は、拡散工程の後に、半導体層と導体膜とがシリサイド化反応を起こす温度で半導体層及び導体膜を加熱することにより、半導体層と導体膜との界面に該半導体層と該導体膜とがシリサイド化反応してなるシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程をさらに備えていると、半導体層と導体膜との界面が既に十分な拡散反応が進行しているため、従来のような高温短時間の熱処理を行なうだけで半導体層と導体膜との界面に確実にシリサイド層を形成できる。
【００３２】
本発明の半導体装置の製造装置によると、半導体基板の基板面に該基板面に対して所定角度でＸ線を照射するＸ線照射手段と、半導体基板の基板面からの所定角度を有する回折Ｘ線を検出するＸ線検出手段と、第１及び第２の検出信号が入力され、第１の検出信号が入力された場合に加熱手段の加熱動作を停止する制御手段とを備えているため、前記第４の半導体装置の製造方法の効果を得られる上に、第４の半導体装置の製造方法の自動化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法であって、コンタクト形成方法の工程順の断面構成を示している。まず、図１（ａ）に示すように、シリコンよりなる基板１１の上面に、酸化シリコンよりなる層間絶縁膜１２を堆積し、該層間絶縁膜１２の上面にレジスト膜１３を塗布した後、フォトリソグラフィーを用いてレジスト膜１３に対して所定のパターニングを行ない、続いて、パターニングされたレジスト膜１３をマスクとして層間絶縁膜１２に対してドライエッチングを行なって層間絶縁膜１２にコンタクトホール１２ａを形成する。このコンタクトホール１２ａを形成する際のドライエッチング時に、基板１１の上面におけるコンタクトホール１２ａ内の露出面がプラズマにさらされるため、該露出面のシリコン結晶に損傷を受けた損傷層１１ａが生じる。
【００３５】
次に、図１（ｂ）に示すように、基板１１の上におけるコンタクトホール１２ａの底面及び周面を含む全面にわたって、コンタクトに用いるＷ原子の基板１１側への拡散を防止するＴｉＮよりなるバリア層１４及び該コンタクトと基板１１との密着性を高めるＴｉよりなる密着層１５を順次堆積し、その後、温度が異なる２度の熱処理を行なって、基板１１の上面におけるコンタクトホール１２ａの底部にシリサイド層１６Ｂを形成する。
【００３６】
具体的には、まず、バリア層１４側のＴｉ原子と基板１１のＳｉ原子との互いの拡散のみを行ない、シリサイド化が生じない温度である５００℃以下、例えば４００℃で少なくとも１時間の拡散用熱処理を行なってＳｉ原子をバリア層１４側に、且つ、Ｔｉ原子を基板１１中に十分に拡散させることにより、拡散層１６Ａを形成する。
【００３７】
次に、図１（ｃ）に示すように、シリサイド化反応が起こる温度である５００℃〜８００℃で６０秒以内の短時間のシリサイド化用熱処理を行ない、その後、コンタクトホール１２ａにＷよりなるプラグを充填してコンタクト１７を形成する。
【００３８】
図２（ａ）はＴｉよりなる導体膜とＳｉよりなる半導体層との界面におけるＴｉ原子とＳｉ原子との拡散、シリサイド化及び相転移を模式的に表わしており、図２（ａ）に示すように、導体膜（Ｔｉ）と半導体層（Ｓｉ）とが積層してなる積層膜を表わし、状態［Ｉ］は加熱温度が４００℃で１時間の熱処理を行なった際の拡散状態、状態［II］は加熱温度が６００℃で１時間の熱処理を行なった際のシリサイド（Ｃ49）状態、及び状態［III]は加熱温度が６５０℃又は７００℃で１時間の熱処理を行なって、シリサイド（Ｃ49）がさらに低抵抗な構造に相転移したシリサイド（Ｃ54）状態をそれぞれ表わしている。
【００３９】
図２（ｂ）はＴｉとＳｉとの界面におけるシート抵抗の温度依存性を表わし、白丸印はシリコンに損傷がない場合を、黒丸印はシリコンに損傷がある場合をそれぞれ表わし、状態［Ｉ］〜状態［III]は図２（ａ）にそれぞれ対応している。また、それぞれの熱処理温度における加熱時間はいずれも１時間としている。図２（ｂ）に示すように、エッチングによる損傷がない場合には、温度が５００℃でシート抵抗が急激に低下して状態［II］に変化しており、これに対してシリコン結晶に損傷がある場合には、温度が５００℃では抵抗は下がるものの損傷がない場合ほど低下せず状態［Ｉ］のままである。
【００４０】
また、図示はしていないが、Ｘ線回折法を用いて行なった検査結果からは、温度が４００℃までは損傷がある場合とない場合とは共にＴｉからの回折ピークしか観察されず、シリサイド（ＴｉＳｉ2 ）が未だ生成されていないことが分かる。温度が５００℃の場合は、損傷がない場合にはシリサイドの回折ピークが観察され、また、損傷がある場合でも極微小な回折ピークが観察されると共に熱処理時間を長くすることによってこのピーク強度は大きくなる。温度が６５０℃以上の温度領域では、シリコン結晶の損傷の有無による差はなくなる。
【００４１】
以上のことから、従来のシリサイド化工程においては、シリサイド化反応の熱処理を高温短時間で実施しているため、シリサイド化反応の素過程であるＳｉ原子の拡散とシリサイド化のための熱エネルギーの供給が同時に行なわれるので、シリコンよりなる半導体層の損傷の有無によってシリサイド化及び層転移にばらつきが生じることになる。
【００４２】
これに対し、本実施形態によると、シリサイド化工程を、Ｓｉ原子及びＴｉ原子を拡散させるための拡散用熱処理工程と、シリサイド化のためのシリサイド化用熱処理工程とに分けて行なうため、損傷層１１ａの影響を実質的になくすことができる。このため、Ｓｉよりなる基板１１とバリア層１４及び密着層１５に含まれるＴｉとのシリサイドの形成時に基板１１に損傷層１１ａを有していても構成にばらつきがない安定したシリサイド層１６Ｂを形成できる
なお、本実施形態においては、Ｓｉよりなる基板１１に直接シリサイド層１６Ｂを設けたが、多層構造の半導体装置にあっては、基板上に堆積したポリシリコン層のシリサイド化であっても同様の効果を得られることは言うまでもない。
【００４３】
また、図１に示すバリア層１４及び密着層１５に遷移金属のうちのチタン（Ｔｉ）を用いたが、これに限らず、スカンジウム（Ｓｃ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）であってもよい。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図３（ａ）〜（ｆ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法であって、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン及びゲート電極の各上部に自己整合的にシリサイド層を形成する形成方法の工程順の断面構成を示している。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンよりなる半導体基板２１の上面に、例えば、酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜２２及びポリシリコンよりなるゲート電極２３を選択的に形成し、その後、ＣＶＤ法を用いて、基板１１の上面におけるゲート電極２３の側面及び上面を含む全面にわたってシリコン酸化膜２４Ａを堆積させる。
【００４５】
次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２４Ａに対してドライエッチングを行なってゲート電極２３の側面にシリコン酸化膜２４Ａよりなるサイドウォール２４Ｂを形成し、その後、イオン注入法を用いて、基板２１に対してゲート電極２３及びサイドウォール２４Ｂをマスクとしてｐ型不純物イオン又はｎ型不純物イオンを高濃度に注入して基板２１の上部に自己整合的にソース・ドレイン層２１ａを形成する。このサイドウォール形成工程におけるドライエッチングのプラズマ照射によって、ソース・ドレイン層２１ａの上部に第１の損傷層２１ｂ及びゲート電極２３の上部に第２の損傷層２３ａが生じる。
【００４６】
次に、図３（ｃ）に示すように、基板２１の上面におけるサイドウォール２４Ｂ及びゲート電極２３の上面を含む全面にわたってＴｉよりなる導体膜２５を堆積する。
【００４７】
次に、図３（ｄ）に示すように、導体膜２５のＴｉ原子と基板２１及びゲート電極２３のＳｉ原子とが互いに拡散のみ行ない、シリサイド化が生じない温度である５００℃以下、例えば４００℃で少なくとも１時間の拡散用熱処理を行なって、Ｓｉ原子を導体膜２５膜中に拡散させると共にＴｉ原子をソース・ドレイン層２１ａの上部及びゲート電極２３の上部に十分に拡散させることにより、該ソース・ドレイン層２１ａ及び該ゲート電極２３の各上部にそれぞれ拡散層２６Ａを形成する。
【００４８】
続いて、図３（ｅ）に示すように、拡散層２６Ａをシリサイド化するために、シリサイド化反応に必要且つ十分な温度範囲、例えば温度が５００℃〜６００℃で６０秒以内の短時間のシリサイド化用熱処理を行なうことにより、各拡散層２６ＡからシリサイドＣ49層２６Ｂを形成する。ここで、第１の実施形態のシリサイド化用熱処理に比べて最高温度が６００℃と低いのは、図３（ｅ）に示す導体膜２５におけるサイドウォール２４Ｂと接する領域がシリサイド化されてしまわないようにするためである。もし、シリサイド化されると導体膜２５をウエットエッチングを用いた除去処理が困難となり、最悪の場合には、ソース・ドレイン層２１ａとゲート電極２３とが短絡する事態も生じ得る。
【００４９】
次に、図３（ｆ）に示すように、導体膜２５に対してウエットエッチングを行なってシリサイド化されていない未反応の導体膜２５を除去し、その後、基板２１に対して高温短時間、例えば、温度が９００℃で３０秒間の熱処理を行なうことにより、シリサイドＣ49層２６Ｂをより低抵抗なシリサイドＣ54層２６Ｃに相転移させる。
【００５０】
このように、本実施形態によると、シリサイド化工程を、Ｓｉ原子及びＴｉ原子を拡散させるための拡散用熱処理工程と、シリサイド化のためのシリサイド化用熱処理工程とに分けて行なうため、損傷層２１ｂ，２３ａの影響を実質的になくすことができる。このため、Ｓｉよりなるソース・ドレイン層２１ａ及びゲート電極２３の各上部と導体膜２５のＴｉとのシリサイドの形成時に、ソース・ドレイン層２１ａ及びゲート電極２３の各上部が損傷を受けていても安定したシリサイドＣ49層２６Ｂを形成できる。
【００５１】
さらに、本実施形態の半導体装置の製造方法は、シリサイドＣ49層２６Ｂをより低抵抗なシリサイドＣ54層２６Ｃに相転移させるシリサイド層相転移工程を備えているため、ＭＯＳトランジスタの抵抗値が小さくなるので、消費電力の低減及び動作速度の向上を図ることができる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５２】
第１及び第２の実施形態において、従来の高温短時間のシリサイド化工程を拡散工程とシリサイド化工程に分割する有効性を説明したが、一連の熱処理を分割するには拡散が完了するタイミングを検知しなければならない。本実施形態においては、拡散工程の完了タイミングを監視する方法及びこの方法を実現する製造装置を図面を参照しながら説明する。
【００５３】
図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法であって、拡散工程及びシリサイド化工程の処理フローを示している。図４に示すように、まず、準備加熱工程ＰＲ０１において、基板上面にシリコン膜とチタン膜とが積層された測定用基板を室温で１時間加熱し、次に、回折角度検出工程ＰＲ０２において、Ｘ線回折法を用いて、例えばＴｉの（００２）面のピーク角度を検出する。次に、回折角度判定工程ＰＲ０３において、Ｔｉ（００２）の回折ピークが出現していれば、加熱温度を１回目の加熱温度よりも高い温度、例えば３００℃に再設定すると共に、新たな測定用基板を用意して準備加熱工程ＰＲ０１から再度繰り返す。これらの処理をＴｉ（００２）の回折ピークが出現しなくなるまで繰り返すことにより得られた結果が図５に示すグラフである。
【００５４】
図５はＸ線回折法を用いたＴｉ（００２）の回折角度の温度依存性を示しており、図５に示すように、加熱温度の上昇に伴ってＳｉ原子のＴｉ結晶中への拡散量が増大して格子定数が大きくなるため、Ｔｉ（００２）の回折ピークが低角度側に移行する。例えば、加熱温度が６００℃の場合には、Ｔｉ（００２）の回折ピークが出現しなくなり、Ｔｉがすべてシリサイドに変化していることが分かる。このように、最後に出現したＴｉ（００２）の回折ピークを示す回折角度、すなわち、最終回折角度の１８．８５゜を求めることができる。
【００５５】
次に、熱処理装置準備工程ＰＲ０４において、熱処理装置の基板保持台に保持された測定用基板の基板面に対してＸ線を照射するＸ線照射器と基板面からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器とを最終回折角度、ここでは１８．８５゜となるように設ける。
【００５６】
次に、拡散用熱処理工程ＳＴ０１において、シリコン層とチタン層との積層部を含む製造用基板を熱処理装置準備工程において準備された熱処理装置に投入し、適当な加熱温度で該製造用基板を加熱する。このとき、回折ピーク検出工程ＳＴ０２において、Ｘ線検出器がＴｉ（００２）の回折ピークのピーク位置を監視する。Ｘ線検出器は、Ｔｉ（００２）の回折ピークが出現しなくなる直前の最終回折角度の１８．８５゜に設定されているため、特定の加熱温度で加熱しなくても該Ｘ線検出器がピークを検出した時点でＴｉ結晶中に十分にＳｉ原子が拡散した状態であることが分かる。このため、この状態になったときに、拡散用熱処理終了工程ＳＴ０３において拡散用熱処理工程ＳＴ０１を終了させる。
【００５７】
次に、シリサイド化用熱処理工程ＳＴ０４において、基板に対してシリサイド化反応が起こる温度である５００℃〜８００℃で６０秒以内の短時間のシリサイド化用熱処理を行なう。ここで、シリサイド化用熱処理工程ＳＴ０４は拡散用熱処理工程ＳＴ０１と同一の熱処理装置を用いてもよく、また、他の熱処理装置で行なってもよい。
【００５８】
このように、本実施形態によると、あらかじめＸ線回折方法を用いて、シリサイド化反応が始まる直前の遷移金属の回折ピーク位置を求めておくため、Ｓｉよりなる半導体層の損傷の有無や加熱時間に依存することなく、シリコン層とチタン層との界面でＳｉ原子とＴｉ原子との拡散が十分に行なわれ且つシリサイド化反応が始まる直前の状態を検出することができる。
【００５９】
以下、前記の半導体装置の製造方法を実現する製造装置について図面を参照しながら説明する。
【００６０】
図６は本実施形態に係る半導体装置の製造装置の構成を模式的に示している。図６に示すように、熱処理用の反応室５１には、製造用基板５２を保持する基板保持台５３と、該基板保持台５３の上方に設けられ製造用基板５２を加熱するヒータ５４と、製造用基板５２の基板面に該基板面に対して最終回折角度、すなわち１８．８５゜でＸ線を照射するＸ線照射器５５と、製造用基板５２の基板面からの回折角度が１８．８５゜の回折Ｘ線を検出し、該回折Ｘ線が検出されるときには、第１の検出信号を出力し、該回折Ｘ線が検出されないときには第２の検出信号を出力するＸ線検出器５６とを備えている。また、反応室５１には、所定のガスを導入及び排気のための導入口５８及び排気口５９が設けられており、Ｘ線検出器５６は制御手段５７を介してヒータ５４と電気的に接続されている。
【００６１】
以下、前記のように構成された半導体装置の製造装置の動作を説明する。まず、上面にＳｉよりなる半導体層とＴｉよりなる導体膜との積層部を有する製造用基板５２を反応室５１における基板保持台５３の保持面に載置すると共に、窒素ガスを導入口５８から反応室５１内に導入する。続いて、Ｘ線照射器５５から特性Ｘ線、例えば、ＣｕのＫα線を製造用基板５２の基板面に対して照射しながら、ヒータ５４を用いて温度が４００℃の熱処理を行なう。
【００６２】
図５に示した加熱温度と回折角度のと関係から、加熱時間が１時間を越えると回折角度が１９．０゜よりも小さくなり、やがて１８．８５゜に達する。このとき、製造用基板５２上のＳｉよりなる半導体層とＴｉよりなる導体膜との積層部の界面においてＳｉ原子とＴｉ原子とは十分に拡散が行なわれ且つシリサイド化直前の状態となっている。従って、Ｘ線検出器５６はＴｉ（００２）の回折ピークを第１の検出信号として制御手段５７に出力し、制御手段５７は第１の検出信号を受けてヒータ５４の動作を停止させる。
【００６３】
このように、本実施形態に係る半導体装置の製造装置によると、熱処理装置に、シリサイド化反応が始まる直前の回折角度を検出できるようにＸ線照射器５５及びＸ線検出器５６を設けているため、Ｓｉよりなる半導体層にドライエッチング等による損傷部が形成されていても、Ｓｉ原子とＴｉ原子とが十分に拡散される状態にまで拡散工程を行なえるので、拡散の状態にばらつきがなくなり、その結果、ＳｉとＴｉとの積層部の界面に安定したシリサイド層を形成できる。
【００６４】
また、Ｔｉのピークの検出位置を１８．８５゜に固定せずに可変とすれば、該検出位置を監視することによって、Ｔｉ中へのＳｉ原子の拡散の進行度合いやシリサイド化の開始直前を見極めることができる。さらに、シリサイドが低抵抗化する際の相転移や他の材料の熱処理の進行の度合いを監視できる。
【００６５】
なお、シリサイド化される遷移金属にチタン（Ｔｉ）を用いたが、これに限らず、スカンジウム（Ｓｃ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る半導体装置の製造方法及びその製造装置は、シリサイド層が設けられた半導体装置の製造等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるチタン原子とシリコン原子との拡散、シリサイド化及び相転移を示す模式図である。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるチタンとシリコンとの界面におけるシート抵抗の温度依存性を表わすグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す処理フロー図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法における、Ｘ線回折法を用いたチタンの回折ピークの温度依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式的な正面構成図である。
【図７】従来の半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１      基板
１１ａ    損傷層
１２      層間絶縁膜
１２ａ    コンタクトホール
１３      レジスト膜
１４      バリア層
１５      密着層
１６Ａ    拡散層
１６Ｂ    シリサイド層
１７      コンタクト
２１      半導体基板
２１ａ    ソース・ドレイン層
２１ｂ    第１の損傷層
２２      ゲート絶縁膜
２３      ゲート電極
２３ａ    第２の損傷層
２４Ａ    シリコン酸化膜
２４Ｂ    サイドウォール
２５      導体膜
２６Ａ    拡散層
２６Ｂ    シリサイドＣ49層
２６Ｃ    シリサイドＣ54層
ＰＲ０１  準備加熱工程
ＰＲ０２  回折角度検出工程
ＰＲ０３  回折角度判定工程
ＰＲ０４  熱処理装置準備工程
ＳＴ０１  拡散用熱処理工程
ＳＴ０２  回折ピーク検出工程
ＳＴ０３  拡散用熱処理終了工程
ＳＴ０４  シリサイド化用熱処理工程
５１      反応室
５２      製造用基板
５３      基板保持台（基板保持手段）
５４      ヒータ（加熱手段）
５５      Ｘ線照射器（Ｘ線照射手段）
５６      Ｘ線検出器（Ｘ線検出手段）
５７      制御手段
５８      導入口
５９      排気口
【図１】
0003681745.tif 000002
【図２】
0003681745.tif 000003
【図３】
0003681745.tif 000004
【図４】
0003681745.tif 000005
【図５】
0003681745.tif 000006
【図６】
0003681745.tif 000007
【図７】
0003681745.tif 000008